Harjoittelu voi auttaa nelijalkaisia ​​käyttäjiä käyttämään mielenhallinnassa olevia pyörätuoleja luonnollisissa, sekaisissa tiloissa

Harjoittelu voi auttaa nelijalkaisia ​​käyttäjiä käyttämään mielenhallinnassa olevia pyörätuoleja luonnollisissa, sekaisissa tiloissa

Mieliohjattu pyörätuoli voi auttaa halvaantunutta saamaan uutta liikkuvuutta muuttamalla käyttäjän ajatukset mekaanisiksi käskyiksi. Tutkijat osoittavat 18. marraskuuta iScience-lehdessä, että pitkäkestoisen harjoittelun jälkeen nelijalkaiset käyttäjät voivat käyttää mielenhallinnassa olevia pyörätuoleja luonnollisessa, sekaisessa ympäristössä.

Osoitamme, että sekä käyttäjän että aivo-kone-rajapinta-algoritmin keskinäinen oppiminen on tärkeää, jotta käyttäjät voivat käyttää onnistuneesti tällaisia ​​pyörätuoleja. Tutkimuksemme korostaa mahdollista keinoa parantaa ei-invasiivisen aivo-kone-rajapintateknologian kliinistä toteutusta."

José del R. Millán, tutkimuksen vastaava kirjoittaja, The University of Texas at Austin

Millán ja hänen kollegansa värväsivät kolme nelijalkaista pitkittäistutkimukseen. Jokainen osallistuja suoritti koulutustilaisuuksia kolme kertaa viikossa 2-5 kuukauden ajan. Osallistujat käyttivät pääkalloa, joka tallensi heidän aivotoimintansa elektroenkefalografian (EEG) avulla, joka muunnettiin pyörätuolien mekaanisiksi komentoiksi aivo-koneliitäntälaitteen kautta. Osallistujia pyydettiin ohjaamaan pyörätuolin suuntaa ajattelemalla kehon osien liikettä. Erityisesti heidän piti muistaa liikuttaa molempia käsiä kääntyäkseen vasemmalle ja molempia jalkoja kääntyäkseen oikealle.

Ensimmäisessä harjoituskerrassa kolmella osallistujalla oli samanlainen tarkkuustaso - kun laitteen vastaukset vastasivat käyttäjien ajatuksia - vaihteli noin 43–55%. Harjoittelun aikana Brain Machine Interface Device -tiimi huomasi merkittävän parannuksen tarkkuudessa osallistujan 1 kohdalla, joka saavutti yli 95 % tarkkuuden koulutuksensa lopussa. Tiimi havaitsi myös osallistujan 3 tarkkuuden nousevan 98 prosenttiin hänen harjoituksensa puolivälissä, ennen kuin tiimi päivitti laitteensa uudella algoritmilla.

Osallistujilla 1 ja 3 havaittu parannus korreloi piirteiden syrjinnän paranemisen kanssa, eli h. algoritmin kyky erottaa "mene vasemmalle" ajatuksille koodattu aivotoimintamalli "mene oikealle" ajatuksista. Tiimi havaitsi, että parempi ominaisuuksien erottelu ei johtunut vain laitteen koneoppimisesta, vaan myös osallistujien aivoissa tapahtuvasta oppimisesta. Osallistujien 1 ja 3 EEG osoitti merkittäviä muutoksia aivoaaltokuvioissa, koska ne paransivat laitteen mielenhallinnan tarkkuutta.

"Näemme EEG-tuloksista, että koehenkilö on vahvistanut kykynsä moduloida aivojensa eri osia tuottaakseen yhden kuvion "mennä vasemmalle" ja toisen kuvion "mennä oikealle", Millán sanoo. "Uskomme, että on olemassa aivokuoren uudelleenorganisaatio, joka tapahtui osallistujien oppimisprosessin seurauksena."

Verrattuna osallistujiin 1 ja 3, osallistujalla 2 ei ollut merkittäviä muutoksia aivotoiminnan malleissa koko harjoituksen aikana. Hänen tarkkuus parani vain hieman ensimmäisissä harjoituksissa, mutta pysyi vakaana jäljellä olevan harjoitusjakson ajan. Se viittaa siihen, että koneoppiminen ei yksin riitä ohjaamaan onnistuneesti tällaista mielenhallittua laitetta, Millán sanoo

Koulutuksen päätteeksi kaikkia osallistujia pyydettiin ajamaan pyörätuolinsa tungosta sairaalahuoneen läpi. Heidän täytyi kiertää esteitä, kuten huoneenjakaja ja sairaalasänkyjä, jotka on asetettu simuloimaan todellista ympäristöä. Molemmat osallistujat 1 ja 3 suorittivat tehtävän, kun taas osallistuja 2 ei suorittanut sitä.

"Näyttää siltä, ​​että hyvän aivo-kone-rajapinnan hallinnan saavuttaminen, joka mahdollistaa suhteellisen monimutkaisten päivittäisten toimintojen, kuten pyörätuolin ajamisen luonnollisessa ympäristössä, vaatii neuroplastista uudelleenjärjestelyä aivokuoressamme", Millán sanoo.

Tutkimus korosti myös pitkäaikaisen käyttäjäkoulutuksen roolia. Vaikka osallistuja 1 suoriutuikin lopulta erinomaisesti, hän myös kamppaili ensimmäisissä harjoituksissa, Millán sanoo. Pitkittäinen tutkimus on yksi ensimmäisistä, jotka arvioivat ei-invasiivisen aivojen ja koneen välisen rajapintateknologian kliinistä toteutusta nelijalkaisille potilaille.

Seuraavaksi ryhmä haluaa selvittää, miksi osallistuja 2 ei kokenut oppimisvaikutusta. He toivovat voivansa suorittaa yksityiskohtaisemman analyysin kunkin osallistujan aivosignaaleista ymmärtääkseen niiden eroja ja mahdollisia interventioita ihmisille, jotka kamppailevat oppimisprosessin kanssa tulevaisuudessa.

Tätä työtä tukivat osittain Italian opetusministeriö ja Padovan yliopiston tietotekniikan instituutti.

Lähde:

Cell Press

Viite:

Tonin, L., et ai. (2022) BMI-ohjatun pyörätuolin hallitsemisen oppiminen ihmisille, joilla on vaikea tetraplegia. iScience. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.