Školenie môže pomôcť kvadruplegikom ovládať invalidné vozíky ovládané mysľou v prirodzených, neprehľadných priestoroch

Školenie môže pomôcť kvadruplegikom ovládať invalidné vozíky ovládané mysľou v prirodzených, neprehľadných priestoroch

Invalidný vozík ovládaný mysľou môže paralyzovanej osobe pomôcť získať novú mobilitu tým, že prevedie myšlienky používateľa do mechanických príkazov. 18. novembra výskumníci v časopise iScience ukázali, že po dlhotrvajúcom tréningu môžu kvadruplegickí používatelia ovládať invalidné vozíky ovládané mysľou v prirodzenom, neprehľadnom prostredí.

Ukazujeme, že vzájomné učenie sa používateľa aj algoritmu rozhrania mozog-stroj je pre používateľov dôležité na úspešnú obsluhu takýchto invalidných vozíkov. Náš výskum poukazuje na potenciálny spôsob zlepšenia klinickej implementácie neinvazívnej technológie rozhrania mozog-stroj.“

José del R. Millán, korešpondujúci autor štúdie, The University of Texas at Austin

Millán a jeho kolegovia prijali troch kvadruplegikov na longitudinálnu štúdiu. Každý z účastníkov absolvoval školenia trikrát týždenne počas 2 až 5 mesiacov. Účastníci nosili prikrývku, ktorá zaznamenávala ich mozgovú aktivitu prostredníctvom elektroencefalografie (EEG), ktorá bola prevedená na mechanické príkazy pre invalidné vozíky prostredníctvom zariadenia s rozhraním mozog-stroj. Účastníci boli požiadaní, aby ovládali smer invalidného vozíka tým, že premýšľali o pohybe častí svojho tela. Konkrétne museli pamätať na to, aby sa oboma rukami otočili doľava a oboma nohami doprava.

Na prvom tréningu mali traja účastníci podobnú úroveň presnosti – keď sa odpovede zariadenia zhodovali s myšlienkami používateľov – v rozmedzí od približne 43 % do 55 %. V priebehu tréningu tím Brain Machine Interface Device zaznamenal výrazné zlepšenie presnosti pre účastníka 1, ktorý na konci svojho tréningu dosiahol presnosť viac ako 95 %. Tím tiež pozoroval zvýšenie presnosti účastníka 3 na 98 % v polovici jeho tréningu, predtým ako tím aktualizoval svoje zariadenie novým algoritmom.

Zlepšenie pozorované u účastníkov 1 a 3 koreluje so zlepšením rozlišovania znakov, t.j. h. schopnosť algoritmu rozlíšiť vzorec mozgovej aktivity zakódovaný pre myšlienky „choď doľava“ od toho pre myšlienky „choď doprava“. Tím zistil, že lepšia diskriminácia funkcií nebola len výsledkom strojového učenia zariadenia, ale aj učenia sa v mozgoch účastníkov. EEG účastníkov 1 a 3 ukázalo významné posuny vo vzorcoch mozgových vĺn, pretože zlepšili presnosť ovládania mysle zariadenia.

„Z výsledkov EEG vidíme, že subjekt si upevnil schopnosť modulovať rôzne časti svojho mozgu, aby vytvoril jeden vzor pre ‚choď doľava‘ a iný vzor pre ‚choď doprava‘,“ hovorí Millán. "Sme presvedčení, že dochádza ku kortikálnej reorganizácii, ku ktorej došlo v dôsledku procesu učenia sa účastníkov."

V porovnaní s účastníkmi 1 a 3, účastník 2 nemal počas tréningu žiadne významné zmeny vo vzorcoch mozgovej aktivity. Jeho presnosť sa v prvých tréningoch zvýšila len mierne, ale zostala stabilná po zvyšok tréningového obdobia. Naznačuje to, že samotné strojové učenie nestačí na úspešné manévrovanie s takýmto mysľou ovládaným zariadením, hovorí Millán

Na konci školenia boli všetci účastníci požiadaní, aby previezli svoje invalidné vozíky cez preplnenú nemocničnú izbu. Museli obísť prekážky, ako je prepážka izieb a nemocničné lôžka, ktoré sú nastavené tak, aby simulovali skutočné prostredie. Úlohu splnili obaja účastníci 1 a 3, kým účastník 2 ju nesplnil.

„Zdá sa, že na to, aby si niekto osvojil dobré ovládanie rozhrania mozog-stroj, ktoré mu umožňuje vykonávať relatívne zložité každodenné činnosti, ako je riadenie invalidného vozíka v prirodzenom prostredí, si to vyžaduje neuroplastickú reorganizáciu v našej kôre,“ hovorí Millán.

Štúdia tiež zdôraznila úlohu dlhodobého školenia používateľov. Účastník 1 síce v závere podal výborný výkon, no aj on sa na prvých tréningoch trápil, hovorí Millán. Dlhodobá štúdia je jednou z prvých, ktoré hodnotia klinickú implementáciu neinvazívnej technológie rozhrania mozog-stroj u kvadruplegických pacientov.

Ďalej chce tím zistiť, prečo účastník 2 nepocítil efekt učenia. Dúfajú, že vykonajú podrobnejšiu analýzu mozgových signálov každého účastníka, aby pochopili ich rozdiely a možné zásahy pre ľudí, ktorí budú v budúcnosti zápasiť s procesom učenia.

Túto prácu čiastočne podporilo talianske ministerstvo školstva a Inštitút informačných technológií Univerzity v Padove.

Zdroj:

Cell Press

Referencia:

Tonin, L., a kol. (2022) Naučte sa ovládať invalidný vozík riadený BMI pre ľudí s ťažkou tetraplegiou. iScience. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.