Обучението може да помогне на потребителите с квадриплегия да управляват контролирани от ума инвалидни колички в естествени, претрупани пространства

Обучението може да помогне на потребителите с квадриплегия да управляват контролирани от ума инвалидни колички в естествени, претрупани пространства

Умно контролирана инвалидна количка може да помогне на парализиран човек да придобие нова мобилност, като преведе мислите на потребителя в механични команди. На 18 ноември изследователи показват в списанието iScience, че след продължително обучение, квадриплегичните потребители могат да управляват управлявани от съзнанието инвалидни колички в естествена, разхвърляна среда.

Ние показваме, че взаимното обучение както на потребителя, така и на алгоритъма на интерфейса мозък-машина е важно за потребителите, за да управляват успешно такива инвалидни колички. Нашето изследване подчертава потенциален път за подобрено клинично прилагане на неинвазивна технология за интерфейс мозък-машина.

Хосе дел Р. Милан, съответен автор на изследването, Тексаският университет в Остин

Милан и колегите му наеха трима квадриплегици за надлъжното проучване. Всеки от участниците премина тренировки три пъти седмично в продължение на 2 до 5 месеца. Участниците носеха шапка, която записваше мозъчната им активност чрез електроенцефалография (ЕЕГ), която беше преобразувана в механични команди за инвалидните колички чрез устройство за интерфейс мозък-машина. Участниците бяха помолени да контролират посоката на инвалидната количка, като мислят за движението на частите на тялото си. По-конкретно, те трябваше да запомнят да движат двете си ръце, за да завият наляво, и двата си крака, за да завият надясно.

В първата тренировъчна сесия трима участници имаха подобни нива на точност - когато отговорите на устройството съвпаднаха с мислите на потребителите - вариращи от около 43% до 55%. В хода на обучението екипът на Brain Machine Interface Device забеляза значително подобрение в точността за Участник 1, който постигна над 95% точност в края на обучението си. Екипът също така наблюдава увеличение на точността на Участник 3 до 98% по средата на обучението му, преди екипът да актуализира устройството му с нов алгоритъм.

Подобрението, наблюдавано при участници 1 и 3, корелира с подобрение в дискриминацията на характеристиките, т.е. способността на алгоритъма да разграничава модела на мозъчна активност, кодиран за мислите „върни наляво“ от този за мислите „върни надясно“. Екипът установи, че по-добрата дискриминация на характеристиките не е само резултат от машинното обучение на устройството, но и от обучението в мозъците на участниците. ЕЕГ на участници 1 и 3 показа значителни промени в моделите на мозъчните вълни, тъй като те подобриха точността на контрола на ума на устройството.

„Виждаме от резултатите от ЕЕГ, че субектът е консолидирал способността да модулира различни части от мозъка си, за да произведе един модел за „отидете наляво“ и друг модел за „отидете надясно“, казва Милан. „Вярваме, че има кортикална реорганизация, настъпила в резултат на процеса на учене на участниците.“

В сравнение с участници 1 и 3, участник 2 не е имал значителни промени в моделите на мозъчна активност по време на обучението. Неговата точност се повиши само леко през първите няколко сесии, но остана стабилна до края на периода на обучение. Това предполага, че машинното обучение само по себе си не е достатъчно за успешно маневриране на такова контролирано от ума устройство, казва Милан

В края на обучението всички участници бяха помолени да карат своите инвалидни колички през претъпканата болнична стая. Те трябваше да заобиколят препятствия като разделител на стаята и болнични легла, които са настроени да симулират реалната среда. И двамата участници 1 и 3 изпълниха задачата, докато участник 2 не я изпълни.

„Изглежда, че за да може някой да придобие добър контрол на интерфейса мозък-машина, който му позволява да извършва сравнително сложни ежедневни дейности като шофиране на инвалидна количка в естествена среда, това изисква невропластична реорганизация в нашата кора“, казва Милан.

Проучването също така подчертава ролята на дългосрочното обучение на потребителите. Въпреки че участник 1 се представи отлично в крайна сметка, той също имаше затруднения в първите няколко тренировки, казва Милан. Надлъжното проучване е едно от първите, които оценяват клиничното прилагане на неинвазивна технология за интерфейс мозък-машина при пациенти с квадриплегия.

След това екипът иска да разбере защо участник 2 не е изпитал ефекта на обучение. Те се надяват да проведат по-подробен анализ на мозъчните сигнали на всеки участник, за да разберат техните различия и възможните интервенции за хората, които се борят с учебния процес в бъдеще.

Тази работа беше частично подкрепена от италианското Министерство на образованието и Института по информационни технологии на университета в Падуа.

източник:

Cell Press

Справка:

Тонин, Л. и др. (2022) Да се ​​научим да управляваме инвалидна количка с контролиран ИТМ за хора с тежка тетраплегия. iScience. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.