Usposabljanje lahko uporabnikom s tetraplegikom pomaga pri upravljanju invalidskih vozičkov z umskim nadzorom v naravnih, natrpanih prostorih

Usposabljanje lahko uporabnikom s tetraplegikom pomaga pri upravljanju invalidskih vozičkov z umskim nadzorom v naravnih, natrpanih prostorih

Umsko nadzorovan invalidski voziček lahko paralizirani osebi pomaga pridobiti novo mobilnost s prevajanjem uporabnikovih misli v mehanske ukaze. Raziskovalci so 18. novembra v reviji iScience pokazali, da lahko po dolgotrajnem usposabljanju tetraplegiki upravljajo invalidske vozičke, ki jih upravlja um, v naravnem, natrpanem okolju.

Pokazali smo, da je vzajemno učenje tako uporabnika kot algoritma vmesnika možgani-stroj pomembno za uporabnike za uspešno upravljanje takih invalidskih vozičkov. Naše raziskave poudarjajo potencialno pot za izboljšano klinično implementacijo neinvazivne tehnologije vmesnika možgani-stroj.«

José del R. Millán, ustrezni avtor študije, Teksaška univerza v Austinu

Millán in njegovi kolegi so za longitudinalno študijo zaposlili tri tetraplegike. Vsak od udeležencev je trikrat na teden opravil treninge 2 do 5 mesecev. Udeleženci so nosili kapo, ki je beležila njihovo možgansko aktivnost z elektroencefalografijo (EEG), ki je bila pretvorjena v mehanske ukaze za invalidske vozičke prek vmesnika možgani-stroj. Udeležence so prosili, naj nadzorujejo smer invalidskega vozička tako, da razmišljajo o gibanju delov svojega telesa. Natančneje, ne pozabiti so morali premakniti obe roki, da bi zavili levo, in obe nogi, da bi zavili desno.

V prvem treningu so imeli trije udeleženci podobne stopnje natančnosti – ko so se odzivi naprave ujemali z mislimi uporabnikov – v razponu od približno 43 % do 55 %. Med potekom usposabljanja je ekipa Brain Machine Interface Device opazila znatno izboljšanje natančnosti za udeleženca 1, ki je ob koncu usposabljanja dosegel več kot 95-odstotno natančnost. Ekipa je opazila tudi povečanje natančnosti udeleženca 3 na 98 % na polovici njegovega usposabljanja, preden je ekipa posodobila njegovo napravo z novim algoritmom.

Izboljšanje, opaženo pri udeležencih 1 in 3, je v korelaciji z izboljšanjem diskriminacije funkcij, tj. zmožnost algoritma, da razlikuje vzorec možganske aktivnosti, kodiran za misli "pojdi levo" od tistega za misli "pojdi desno". Ekipa je ugotovila, da boljše razlikovanje funkcij ni le posledica strojnega učenja naprave, ampak tudi učenja v možganih udeležencev. EEG udeležencev 1 in 3 je pokazal pomembne premike v vzorcih možganskih valov, saj so izboljšali natančnost nadzora uma naprave.

"Iz rezultatov EEG vidimo, da je subjekt utrdil sposobnost moduliranja različnih delov svojih možganov, da proizvede en vzorec za 'pojdi levo' in drug vzorec za 'pojdi desno'," pravi Millán. "Verjamemo, da je kortikalna reorganizacija nastala kot posledica učnega procesa udeležencev."

V primerjavi z udeležencema 1 in 3 udeleženec 2 ni imel pomembnih sprememb v vzorcih možganske aktivnosti skozi celotno usposabljanje. Njegova natančnost se je le nekoliko povečala v prvih nekaj sejah, vendar je ostala stabilna do konca obdobja usposabljanja. Nakazuje, da samo strojno učenje ni dovolj za uspešno manevriranje takšne naprave, ki jo nadzira um, pravi Millán

Na koncu usposabljanja so bili vsi udeleženci naprošeni, da se s svojimi vozički zapeljejo skozi nabito polno bolnišnično sobo. Morali so obiti ovire, kot so pregrada sobe in bolniške postelje, ki so postavljene tako, da simulirajo resnično okolje. Oba udeleženca 1 in 3 sta opravila nalogo, medtem ko je udeleženec 2 ni opravil.

"Zdi se, da je za pridobitev dobrega nadzora vmesnika možgani-stroj, ki mu omogoča izvajanje razmeroma zapletenih dnevnih dejavnosti, kot je vožnja invalidskega vozička v naravnem okolju, potrebna nevroplastična reorganizacija v naši skorji," pravi Millán.

Študija je poudarila tudi vlogo dolgoročnega usposabljanja uporabnikov. Čeprav se je udeleženec 1 na koncu odlično odrezal, je imel težave tudi na prvih nekaj treningih, pravi Millán. Longitudinalna študija je ena prvih, ki je ovrednotila klinično implementacijo neinvazivne tehnologije vmesnika možgani-stroj pri bolnikih s kvadriplegikom.

Nato želi ekipa ugotoviti, zakaj udeleženec 2 ni izkusil učnega učinka. Upajo, da bodo izvedli podrobnejšo analizo možganskih signalov vsakega udeleženca, da bi razumeli njihove razlike in možne posege za ljudi, ki se bodo v prihodnosti borili z učnim procesom.

To delo sta delno podprla italijansko ministrstvo za izobraževanje in Inštitut za informacijsko tehnologijo Univerze v Padovi.

Vir:

Cell Press

Referenca:

Tonin, L., et al. (2022) Učenje nadzora invalidskega vozička z ITM za ljudi s hudo tetraplegijo. iScience. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.