Инвалидная коляска, управляемая разумом, может помочь парализованному человеку обрести новую подвижность, переводя мысли пользователей в механические команды. 18 ноября в журнале iScience исследователи демонстрируют, что пользователи с параличом нижних конечностей могут управлять управляемыми разумом инвалидными колясками в естественной загроможденной среде после длительного обучения.

«Мы показываем, что взаимное обучение как пользователя, так и алгоритма интерфейса мозг-машина важны для успешного управления такими инвалидными колясками», — говорит Хосе дель Р. Миллан, автор исследования из Техасского университета в Остине. «Наше исследование выдвигает на первый план потенциальный путь для улучшения клинического применения технологии неинвазивного интерфейса мозг-машина».

Миллан и его коллеги набрали трех человек с тетраплегией для продольного исследования . Каждый из участников проходил тренинги три раза в неделю в течение от 2 до 5 месяцев. Участники носили тюбетейки, которые определяли активность их мозга с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая затем преобразовывалась в механические команды для инвалидных колясок через устройство интерфейса мозг-машина. Участников попросили контролировать направление движения инвалидной коляски , думая о движении частей тела . В частности, им нужно было подумать о движении обеих рук, чтобы повернуть налево, и обеих ног, чтобы повернуть направо.

На первом обучающем занятии у трех участников были одинаковые уровни точности — когда ответы устройства совпадали с мыслями пользователей — от 43% до 55%. В ходе обучения группа специалистов по устройству интерфейса «мозг-машина» заметила значительное улучшение точности у участника 1, который к концу обучения достиг точности более 95%. Команда также наблюдала увеличение точности у участника 3 до 98% в середине его обучения, прежде чем команда обновила его устройство новым алгоритмом.

Улучшение, наблюдаемое у участников 1 и 3, коррелирует с улучшением распознавания признаков, которое представляет собой способность алгоритма различать паттерн активности мозга, закодированный для мыслей «иди налево», от шаблона для «иди направо». Команда обнаружила, что лучшая дискриминация признаков является результатом не только машинного обучения устройства, но и обучения в мозгу участников. ЭЭГ участников 1 и 3 показала четкие сдвиги в паттернах мозговых волн, поскольку они улучшили точность управления сознанием устройства.

«Из результатов ЭЭГ мы видим, что испытуемый консолидировал навык модуляции различных частей своего мозга, чтобы генерировать паттерн «иди налево» и другой паттерн «идти вправо», — говорит Миллан. «Мы считаем, что корковая реорганизация произошла в результате процесса обучения участников».

По сравнению с участниками 1 и 3, у участника 2 не было значительных изменений в паттернах мозговой активности на протяжении всего обучения. Его точность увеличилась лишь незначительно в течение первых нескольких сессий, которая оставалась стабильной до конца тренировочного периода. По словам Миллана, одного только машинного обучения недостаточно для успешного управления таким управляемым разумом устройством.

К концу обучения всех участников попросили проехать на инвалидных колясках по захламленной больничной палате. Им приходилось преодолевать препятствия, такие как перегородка в комнате и больничные койки, которые имитируют реальную среду. Оба участника 1 и 3 выполнили задание, а участник 2 не справился с ним.

«Похоже, что для того, чтобы кто-то приобрел хороший контроль над интерфейсом мозг-машина, который позволяет им выполнять относительно сложную повседневную деятельность, такую ​​​​как вождение инвалидной коляски в естественной среде, требуется некоторая нейропластическая реорганизация в нашей коре», — говорит Миллан.

В исследовании также подчеркивалась роль долгосрочного обучения пользователей. По словам Миллана, хотя участник 1 показал исключительные результаты в конце, он также испытывал трудности на первых нескольких тренировках . Продольное исследование является одним из первых, в котором оценивается клиническое применение неинвазивной технологии интерфейса «мозг-машина» у людей с тетраплегией.

Затем команда хочет выяснить, почему участник 2 не испытал эффекта обучения. Они надеются провести более подробный анализ сигналов мозга всех участников, чтобы понять их различия и возможные вмешательства для людей, испытывающих трудности с процессом обучения в будущем.