Utbildning kan hjälpa quadriplegic användare att använda sinneskontrollerade rullstolar i naturliga, röriga utrymmen

Utbildning kan hjälpa quadriplegic användare att använda sinneskontrollerade rullstolar i naturliga, röriga utrymmen

En sinneskontrollerad rullstol kan hjälpa en förlamad person att få ny rörlighet genom att översätta användarens tankar till mekaniska kommandon. Den 18 november visar forskare i tidskriften iScience att efter långvarig träning kan quadriplegic användare använda sinneskontrollerade rullstolar i en naturlig, rörig miljö.

Vi visar att ömsesidig inlärning av både användaren och algoritmen för gränssnitt mellan hjärna och maskin är viktigt för att användare ska lyckas använda sådana rullstolar. Vår forskning visar på en potentiell väg för förbättrad klinisk implementering av icke-invasiv hjärna-maskin-gränssnittsteknologi."

José del R. Millán, motsvarande författare till studien, University of Texas i Austin

Millán och hans kollegor rekryterade tre quadriplegics för den longitudinella studien. Var och en av deltagarna genomförde träningspass tre gånger i veckan under 2 till 5 månader. Deltagarna bar en kalot som registrerade deras hjärnaktivitet genom elektroencefalografi (EEG), som omvandlades till mekaniska kommandon för rullstolarna via en hjärn-maskin-gränssnittsenhet. Deltagarna ombads att kontrollera rullstolens riktning genom att tänka på deras kroppsdelars rörelse. Specifikt var de tvungna att komma ihåg att flytta båda händerna för att svänga vänster och båda fötterna för att svänga höger.

Under det första träningspasset hade tre deltagare liknande nivåer av noggrannhet - när enhetens svar överensstämde med användarnas tankar - från cirka 43 % till 55 %. Under utbildningens gång märkte Brain Machine Interface Device-teamet en betydande förbättring av noggrannheten för deltagare 1, som uppnådde över 95 % noggrannhet i slutet av sin träning. Teamet observerade också en ökning av deltagare 3:s noggrannhet till 98 % halvvägs genom sin träning, innan teamet uppdaterade hans enhet med en ny algoritm.

Den förbättring som observerades hos deltagarna 1 och 3 korrelerar med en förbättring av funktionsdiskriminering, dvs. algoritmens förmåga att särskilja hjärnaktivitetsmönstret kodat för "gå vänster"-tankar från det för "gå åt höger"-tankar. Teamet fann att den bättre diskrimineringen inte bara var ett resultat av enhetens maskininlärning, utan också av inlärning i deltagarnas hjärnor. Deltagarna 1 och 3:s EEG visade signifikanta förändringar i hjärnvågsmönster eftersom de förbättrade enhetens noggrannhet i tankekontroll.

"Vi ser från EEG-resultaten att försökspersonen har konsoliderat förmågan att modulera olika delar av sin hjärna för att producera ett mönster för 'gå åt vänster' och ett annat mönster för 'gå åt höger'", säger Millán. "Vi tror att det finns en kortikal omorganisation som inträffade som ett resultat av deltagarnas inlärningsprocess."

Jämfört med deltagare 1 och 3 hade deltagare 2 inga signifikanta förändringar i hjärnans aktivitetsmönster under hela träningen. Hans noggrannhet ökade endast något under de första passen, men förblev stabil under resten av träningsperioden. Det tyder på att enbart maskininlärning inte är tillräckligt för att framgångsrikt manövrera en sådan sinnekontrollerad enhet, säger Millán

I slutet av utbildningen ombads alla deltagare att köra sina rullstolar genom ett fullsatt sjukhusrum. They had to work around obstacles such as a room divider and hospital beds, which are set up to simulate the real environment. Både deltagare 1 och 3 genomförde uppgiften, medan deltagare 2 inte klarade den.

"Det verkar som att för att någon ska skaffa sig bra hjärn-maskin-gränssnittskontroll, som gör att de kan utföra relativt komplexa dagliga aktiviteter som att köra rullstol i en naturlig miljö, kräver det en neuroplastisk omorganisation i vår cortex", säger Millán.

Studien belyste också rollen av långsiktig användarutbildning. Även om deltagare 1 presterade utmärkt till slut, så kämpade han även på de första träningspassen, säger Millán. Den longitudinella studien är en av de första som utvärderar den kliniska implementeringen av icke-invasiv hjärna-maskin-gränssnittsteknologi hos quadriplegic patienter.

Därefter vill teamet ta reda på varför deltagare 2 inte upplevde inlärningseffekten. De hoppas kunna genomföra en mer detaljerad analys av varje deltagares hjärnsignaler för att förstå deras skillnader och möjliga insatser för människor som kämpar med inlärningsprocessen i framtiden.

Detta arbete stöddes delvis av det italienska utbildningsministeriet och Institutet för informationsteknologi vid universitetet i Padua.

Källa:

Celltryck

Hänvisning:

Tonin, L., et al. (2022) Att lära sig att kontrollera en BMI-kontrollerad rullstol för personer med svår tetraplegi. iScience. doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418.

.