Převáděním myšlenek uživatelů na mechanické příkazy může myšlenkami řízený invalidní vozík pomoci ochrnutým osobám získat novou mobilitu. Vědci ve studii, zveřejněna v časopise iScience, prokázali, že tetraplegičtí uživatelé mohou po delším tréninku ovládat myšlenkami řízený invalidní vozík v přirozeném, nepřehledném prostředí.
"Ukazujeme, že pro úspěšné ovládání takových vozítek je důležité vzájemné učení jak uživatele, tak algoritmu rozhraní mozek-stroj," říká José del R. Millán, odpovídající autor studie z Texaské univerzity v Austinu. "Náš výzkum poukazuje na potenciální cestu ke zlepšení klinického využití neinvazivní technologie rozhraní mozek-stroj."
Millán a jeho kolegové do longitudinální studie nabrali tři osoby s tetraplegií. Každý z účastníků absolvoval trénink třikrát týdně po dobu 2 až 5 měsíců. Účastníci nosili lebku, která pomocí elektroencefalografie (EEG) zjišťovala jejich mozkovou aktivitu, která se prostřednictvím zařízení rozhraní mozek-stroj převáděla na mechanické povely pro invalidní vozíky. Účastníci byli požádáni, aby ovládali směr jízdy invalidního vozíku tím, že budou myslet na pohyby částí svého těla. Konkrétně museli myslet na pohyb obou rukou, aby zatočili doleva, a obou nohou, aby zatočili doprava.
Při prvním tréninku dosáhli tři účastníci podobné úrovně přesnosti - když se reakce zařízení shodovaly s myšlenkami uživatelů - přibližně 43 % až 55 %. V průběhu tréninku tým, který se zabýval zařízením pro propojení mozku se strojem, zaznamenal výrazné zlepšení přesnosti u účastníka 1, který na konci tréninku dosáhl přesnosti přes 95 %. Tým také zaznamenal zvýšení přesnosti u účastníka 3 na 98 % v polovině jeho tréninku, než tým aktualizoval jeho zařízení novým algoritmem.
Zlepšení pozorované u účastníků 1 a 3 souvisí se zlepšením diskriminace rysů, což je schopnost algoritmu rozlišit vzorec mozkové aktivity zakódovaný pro myšlenky "jdi doleva" od vzorce pro myšlenky "jdi doprava". Tým zjistil, že lepší rozlišování rysů není pouze výsledkem strojového učení zařízení, ale také učení v mozku účastníků. EEG účastníků 1 a 3 vykazovalo zřetelné posuny ve vzorcích mozkových vln, jak se zlepšovala přesnost v ovládání zařízení myšlenkami.
"Z výsledků EEG vidíme, že si účastník upevnil dovednost modulovat různé části mozku tak, aby vytvořil vzorec pro 'jdi doleva' a jiný vzorec pro 'jdi doprava'," říká Millán. "Domníváme se, že v důsledku procesu učení účastníků došlo ke kortikální reorganizaci."
V porovnání s účastníky 1 a 3 nedošlo u účastníka 2 v průběhu tréninku k žádným významným změnám vzorců mozkové aktivity. Jeho přesnost se mírně zvýšila pouze během několika prvních sezení, která zůstala stabilní po zbytek tréninkového období. To naznačuje, že samotné strojové učení je pro úspěšné manévrování takového zařízení ovládaného myslí nedostatečné, říká Millán
Na konci tréninku byli všichni účastníci požádáni, aby řídili své vozíky po přeplněném nemocničním pokoji. Museli objíždět překážky, jako je přepážka v pokoji a nemocniční postele, které jsou nastaveny tak, aby simulovaly reálné prostředí. Účastníci 1 i 3 úkol dokončili, zatímco účastník 2 jej nedokončil.
"Zdá se, že k tomu, aby si někdo osvojil dobré ovládání rozhraní mozek-stroj, které mu umožní vykonávat relativně složitou každodenní činnost, jako je řízení invalidního vozíku v přirozeném prostředí, je zapotřebí určité neuroplastické reorganizace v naší mozkové kůře," říká Millán.
Studie také zdůraznila roli dlouhodobého tréninku u uživatelů. Přestože účastník 1 dosáhl na konci výjimečných výsledků, měl problémy i v několika prvních tréninkových sezeních, říká Millán. Tato longitudinální studie je jednou z prvních, která hodnotí klinický překlad neinvazivní technologie rozhraní mozek-stroj u lidí s tetraplegií.
Dále chce tým zjistit, proč se u účastníka 2 neprojevil efekt učení. Doufají, že v budoucnu provedou podrobnější analýzu mozkových signálů všech účastníků, aby pochopili jejich rozdíly a možné intervence pro lidi, kteří mají problémy s procesem učení.
Odkaz: "Learning to control a BMI-driven wheelchair for people with severe tetraplegia", Luca Tonin, Serafeim Perdikis, Taylan Deniz Kuzu, Jorge Pardo, Bastien Orset, Kyuhwa Lee, Mirko Aach, Thomas Armin Schildhauer, Ramón Martínez-Olivera, José del R. Millán. (i.f.: 5,74)
DOI: 10.1016/j.isci.2022.105418
Foto: Joyce McCown, Unsplash
Více z medicíny a zdraví na CZECHSIGHT:
Filip Šlapal
Zuzana Osifová
Vstup do diskuze