Opplæring kan hjelpe kvadriplegiske brukere med å betjene tankekontrollerte rullestoler i naturlige, rotete rom

Opplæring kan hjelpe kvadriplegiske brukere med å betjene tankekontrollerte rullestoler i naturlige, rotete rom

En tankekontrollert rullestol kan hjelpe en lam person å få ny mobilitet ved å oversette brukerens tanker til mekaniske kommandoer. 18. november viser forskere i tidsskriftet iScience at etter langvarig trening kan quadriplegiske brukere betjene tankekontrollerte rullestoler i et naturlig, rotete miljø.

Vi viser at gjensidig læring av både brukeren og hjerne-maskin-grensesnittalgoritmen er viktig for at brukere skal kunne betjene slike rullestoler. Vår forskning fremhever en potensiell vei for forbedret klinisk implementering av ikke-invasiv hjerne-maskin-grensesnittteknologi."

José del R. Millán, tilsvarende forfatter av studien, University of Texas i Austin

Millán og kollegene hans rekrutterte tre kvadriplegikere til den langsgående studien. Hver av deltakerne gjennomførte treningsøkter tre ganger i uken i 2 til 5 måneder. Deltakerne hadde på seg en kalott som registrerte hjerneaktiviteten deres gjennom elektroencefalografi (EEG), som ble konvertert til mekaniske kommandoer for rullestolene via en hjerne-maskin-grensesnittenhet. Deltakerne ble bedt om å kontrollere retningen til rullestolen ved å tenke på bevegelsen til kroppsdelene deres. Nærmere bestemt måtte de huske å bevege begge hendene for å svinge til venstre og begge føttene for å svinge til høyre.

I den første treningsøkten hadde tre deltakere lignende nivåer av nøyaktighet - når enhetens svar samsvarte med brukernes tanker - fra ca. 43 % til 55 %. I løpet av opplæringen la Brain Machine Interface Device-teamet merke til en betydelig forbedring i nøyaktigheten for deltaker 1, som oppnådde over 95 % nøyaktighet på slutten av treningen. Teamet observerte også en økning i deltaker 3s nøyaktighet til 98 % halvveis i treningen, før teamet oppdaterte enheten hans med en ny algoritme.

Forbedringen observert hos deltakere 1 og 3 korrelerer med en forbedring i funksjonsdiskriminering, dvs. h. algoritmens evne til å skille hjerneaktivitetsmønsteret kodet for "gå til venstre"-tanker fra det for "gå til høyre"-tanker. Teamet fant at den bedre funksjonsdiskrimineringen ikke bare var et resultat av enhetens maskinlæring, men også av læring i deltakernes hjerner. Deltakere 1 og 3s EEG viste betydelige endringer i hjernebølgemønstre ettersom de forbedret enhetens tankekontrollnøyaktighet.

"Vi ser fra EEG-resultatene at forsøkspersonen har konsolidert evnen til å modulere forskjellige deler av hjernen for å produsere ett mønster for 'gå til venstre' og et annet mønster for 'gå til høyre'," sier Millán. "Vi tror at det er en kortikal omorganisering som skjedde som et resultat av deltakernes læringsprosess."

Sammenlignet med deltaker 1 og 3, hadde deltaker 2 ingen signifikante endringer i hjerneaktivitetsmønstre gjennom hele treningen. Nøyaktigheten hans økte bare litt i de første øktene, men holdt seg stabil resten av treningsperioden. Det antyder at maskinlæring alene ikke er nok til å lykkes med å manøvrere en slik tankekontrollert enhet, sier Millán

På slutten av treningen ble alle deltakerne bedt om å kjøre rullestolen gjennom et overfylt sykehusrom. De måtte omgå hindringer som romdeler og sykehussenger, som er satt opp for å simulere det virkelige miljøet. Både deltaker 1 og 3 fullførte oppgaven, mens deltaker 2 ikke fullførte den.

"Det ser ut til at for at noen skal få god hjerne-maskin-grensesnittkontroll, som lar dem utføre relativt komplekse daglige aktiviteter som å kjøre rullestol i et naturlig miljø, krever det en nevroplastisk omorganisering i cortex vår," sier Millán.

Studien belyste også rollen til langsiktig brukeropplæring. Selv om deltaker 1 presterte utmerket til slutt, slet han også på de første treningsøktene, sier Millán. Den longitudinelle studien er en av de første som evaluerte den kliniske implementeringen av ikke-invasiv hjerne-maskin-grensesnittteknologi hos quadriplegiske pasienter.

Deretter ønsker teamet å finne ut hvorfor deltaker 2 ikke opplevde læringseffekten. De håper å gjennomføre en mer detaljert analyse av hver deltakers hjernesignaler for å forstå deres forskjeller og mulige intervensjoner for mennesker som sliter med læringsprosessen i fremtiden.

Dette arbeidet ble delvis støttet av det italienske utdanningsdepartementet og Institutt for informasjonsteknologi ved University of Padua.

Kilde:

Celletrykk

Referanse:

Tonin, L., et al. (2022) Lære å kontrollere en BMI-kontrollert rullestol for personer med alvorlig tetraplegi. iScience. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.