Training kan verlamde gebruikers helpen hun geestgestuurde rolstoelen te bedienen in natuurlijke, rommelige ruimtes

Training kan verlamde gebruikers helpen hun geestgestuurde rolstoelen te bedienen in natuurlijke, rommelige ruimtes

Een door de geest bestuurde rolstoel kan een verlamd persoon helpen nieuwe mobiliteit te verwerven door de gedachten van de gebruiker te vertalen in mechanische commando's. Op 18 november laten onderzoekers in het tijdschrift iScience zien dat verlamde gebruikers na langdurige training geestgestuurde rolstoelen kunnen bedienen in een natuurlijke, rommelige omgeving.

We laten zien dat wederzijds leren van zowel de gebruiker als het brain-machine interface-algoritme belangrijk is voor gebruikers om dergelijke rolstoelen succesvol te kunnen bedienen. Ons onderzoek benadrukt een potentiële weg voor een verbeterde klinische implementatie van niet-invasieve hersen-machine-interfacetechnologie.”

José del R. Millán, corresponderend auteur van de studie, De Universiteit van Texas in Austin

Millán en zijn collega's rekruteerden drie verlamde mensen voor het longitudinale onderzoek. Elk van de deelnemers voltooide gedurende 2 tot 5 maanden drie keer per week trainingen. De deelnemers droegen een kalotje dat hun hersenactiviteit registreerde door middel van elektro-encefalografie (EEG), die via een hersen-machine-interface-apparaat werd omgezet in mechanische commando's voor de rolstoelen. Deelnemers werd gevraagd de richting van de rolstoel te bepalen door na te denken over de beweging van hun lichaamsdelen. Concreet moesten ze onthouden dat ze beide handen moesten bewegen om naar links te gaan en beide voeten om naar rechts te gaan.

Tijdens de eerste trainingssessie hadden drie deelnemers een vergelijkbaar nauwkeurigheidsniveau (wanneer de reacties van het apparaat overeenkwamen met de gedachten van de gebruikers), variërend van ongeveer 43% tot 55%. In de loop van de training merkte het Brain Machine Interface Device-team een ​​aanzienlijke verbetering in de nauwkeurigheid op voor deelnemer 1, die aan het einde van zijn training een nauwkeurigheid van meer dan 95% bereikte. Het team constateerde halverwege zijn training ook een toename van de nauwkeurigheid van deelnemer 3 tot 98%, voordat het team zijn apparaat bijwerkte met een nieuw algoritme.

De verbetering waargenomen bij deelnemers 1 en 3 correleert met een verbetering in kenmerkdiscriminatie, d.w.z. h. het vermogen van het algoritme om het hersenactiviteitspatroon dat is gecodeerd voor ‘ga naar links’-gedachten te onderscheiden van dat voor ‘ga naar rechts’-gedachten. Het team ontdekte dat de betere onderscheiding van functies niet alleen het resultaat was van het machinaal leren van het apparaat, maar ook van het leren in de hersenen van de deelnemers. De EEG van deelnemers 1 en 3 vertoonde significante verschuivingen in hersengolfpatronen, omdat ze de nauwkeurigheid van de geestcontrole van het apparaat verbeterden.

"We zien uit de EEG-resultaten dat de proefpersoon het vermogen heeft geconsolideerd om verschillende delen van zijn hersenen te moduleren om één patroon voor 'ga naar links' en een ander patroon voor 'ga naar rechts' te produceren", zegt Millán. "Wij geloven dat er een corticale reorganisatie heeft plaatsgevonden als gevolg van het leerproces van de deelnemers."

Vergeleken met deelnemers 1 en 3 had deelnemer 2 tijdens de training geen significante veranderingen in de hersenactiviteitspatronen. Zijn nauwkeurigheid nam tijdens de eerste paar sessies slechts licht toe, maar bleef gedurende de rest van de trainingsperiode stabiel. Het suggereert dat machinaal leren alleen niet voldoende is om zo’n geestgestuurd apparaat met succes te manoeuvreren, zegt Millán

Aan het einde van de training werd aan alle deelnemers gevraagd om met hun rolstoel door een volle ziekenhuiskamer te rijden. Ze moesten obstakels omzeilen, zoals een scheidingswand en ziekenhuisbedden, die zijn opgesteld om de echte omgeving te simuleren. Zowel deelnemer 1 als 3 voltooiden de taak, terwijl deelnemer 2 deze niet voltooide.

“Het lijkt erop dat als iemand een goede controle over de hersen-machine-interface wil verwerven, waardoor hij relatief complexe dagelijkse activiteiten kan uitvoeren, zoals het besturen van een rolstoel in een natuurlijke omgeving, er een neuroplastische reorganisatie in onze cortex nodig is”, zegt Millán.

Het onderzoek benadrukte ook de rol van langdurige gebruikerstraining. Hoewel Deelnemer 1 uiteindelijk uitstekend presteerde, had hij het ook de eerste paar trainingen moeilijk, vertelt Millán. De longitudinale studie is een van de eerste die de klinische implementatie van niet-invasieve hersen-machine-interfacetechnologie bij patiënten met verlamming evalueert.

Vervolgens wil het team uitzoeken waarom Deelnemer 2 het leereffect niet heeft ervaren. Ze hopen een meer gedetailleerde analyse uit te voeren van de hersensignalen van elke deelnemer om hun verschillen en mogelijke interventies te begrijpen voor mensen die in de toekomst worstelen met het leerproces.

Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het Italiaanse Ministerie van Onderwijs en het Instituut voor Informatietechnologie van de Universiteit van Padua.

Bron:

Celpers

Referentie:

Tonin, L., et al. (2022) Leren omgaan met een BMI-gecontroleerde rolstoel voor mensen met ernstige tetraplegie. iWetenschap. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.