Szkolenie może pomóc osobom z porażeniem czterokończynowym obsługiwać wózki inwalidzkie sterowane umysłem w naturalnych, zagraconych przestrzeniach

Szkolenie może pomóc osobom z porażeniem czterokończynowym obsługiwać wózki inwalidzkie sterowane umysłem w naturalnych, zagraconych przestrzeniach

Wózek inwalidzki sterowany umysłem może pomóc sparaliżowanej osobie uzyskać nową mobilność, przekształcając myśli użytkownika na polecenia mechaniczne. 18 listopada naukowcy wykazali w czasopiśmie iScience, że po długotrwałym treningu użytkownicy z porażeniem czterokończynowym mogą obsługiwać wózki inwalidzkie sterowane umysłem w naturalnym, zagraconym środowisku.

Pokazujemy, że wzajemne uczenie się zarówno użytkownika, jak i algorytmu interfejsu mózg-maszyna jest ważne, aby użytkownicy mogli skutecznie obsługiwać takie wózki inwalidzkie. Nasze badanie wskazuje potencjalną drogę do ulepszonego wdrożenia klinicznego nieinwazyjnej technologii interfejsu mózg-maszyna”.

José del R. Millán, autor korespondujący z badania, Uniwersytet Teksasu w Austin

Millán i jego współpracownicy zrekrutowali do badania podłużnego trzech pacjentów z porażeniem czterokończynowym. Każdy z uczestników odbywał treningi trzy razy w tygodniu przez okres od 2 do 5 miesięcy. Uczestnicy nosili jarmułkę, która rejestrowała aktywność ich mózgu za pomocą elektroencefalografii (EEG), która była przekształcana na mechaniczne polecenia dla wózków inwalidzkich za pośrednictwem urządzenia interfejsu mózg-maszyna. Uczestnicy zostali poproszeni o kontrolowanie kierunku poruszania się wózka inwalidzkiego, myśląc o ruchu części ciała. W szczególności musieli pamiętać o poruszaniu obiema rękami, aby skręcić w lewo, i obiema nogami, aby skręcić w prawo.

Podczas pierwszej sesji szkoleniowej trzech uczestników osiągnęło podobny poziom dokładności – gdy odpowiedzi urządzenia pokrywały się z myślami użytkownika – wahający się od około 43% do 55%. W trakcie szkolenia zespół Brain Machine Interface Device zauważył znaczną poprawę dokładności Uczestnika 1, który pod koniec szkolenia osiągnął ponad 95% dokładności. Zespół zaobserwował także wzrost dokładności Uczestnika 3 do 98% w połowie jego szkolenia, zanim zaktualizował jego urządzenie o nowy algorytm.

Poprawa zaobserwowana u uczestników 1 i 3 koreluje z poprawą rozróżniania cech, tj. h. zdolność algorytmu do odróżnienia wzorca aktywności mózgu zakodowanego dla myśli „idź w lewo” od tego dla myśli „idź w prawo”. Zespół odkrył, że lepsze rozróżnianie cech było nie tylko wynikiem uczenia maszynowego urządzenia, ale także uczenia się w mózgach uczestników. EEG uczestników 1 i 3 wykazało znaczące zmiany we wzorcach fal mózgowych, ponieważ poprawiło to dokładność kontroli umysłu urządzenia.

„Z wyników EEG widzimy, że badany utrwalił zdolność modulowania różnych części mózgu w celu wytworzenia jednego wzorca „idź w lewo” i innego wzorca „idź w prawo”” – mówi Millán. „Wierzymy, że w wyniku procesu uczenia się uczestników nastąpiła reorganizacja kory mózgowej”.

W porównaniu do Uczestników 1 i 3, Uczestnik 2 nie zaobserwował znaczących zmian we wzorcach aktywności mózgu w trakcie treningu. Jego celność wzrosła tylko nieznacznie w ciągu pierwszych kilku sesji, ale pozostała stabilna przez pozostałą część okresu treningowego. Sugeruje to, że samo uczenie maszynowe nie wystarczy, aby skutecznie manewrować takim urządzeniem sterowanym umysłem, mówi Millán

Na zakończenie szkolenia wszystkich uczestników poproszono o przejechanie na wózkach inwalidzkich przez zatłoczoną salę szpitalną. Musieli pokonać przeszkody, takie jak przegroda pokoju i łóżka szpitalne, które ustawiono tak, aby symulowały rzeczywiste środowisko. Zarówno uczestnicy 1, jak i 3 wykonali zadanie, natomiast uczestnik 2 go nie wykonał.

„Wydaje się, że aby ktoś nabył dobrą kontrolę interfejsu mózg-maszyna, która pozwala mu na wykonywanie stosunkowo skomplikowanych codziennych czynności, takich jak prowadzenie wózka inwalidzkiego w środowisku naturalnym, wymaga neuroplastycznej reorganizacji w naszej korze mózgowej” – mówi Millán.

W badaniu podkreślono także rolę długoterminowego szkolenia użytkowników. Chociaż Uczestnik 1 ostatecznie spisał się znakomicie, podczas kilku pierwszych sesji treningowych miał też problemy, mówi Millán. To badanie podłużne jest jednym z pierwszych oceniających kliniczne wdrożenie nieinwazyjnej technologii interfejsu mózg-maszyna u pacjentów z porażeniem czterokończynowym.

Następnie zespół chce dowiedzieć się, dlaczego Uczestnik 2 nie doświadczył efektu uczenia się. Mają nadzieję przeprowadzić bardziej szczegółową analizę sygnałów mózgowych każdego uczestnika, aby zrozumieć różnice między nimi i możliwe interwencje dla osób, które w przyszłości będą miały trudności z procesem uczenia się.

Prace te były częściowo wspierane przez włoskie Ministerstwo Edukacji i Instytut Technologii Informacyjnych Uniwersytetu w Padwie.

Źródło:

Prasa komórkowa

Odniesienie:

Tonin, L. i in. (2022) Nauka kontrolowania wózka inwalidzkiego z kontrolowanym BMI dla osób z ciężką tetraplegią. iNauka. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.