Управляемая разумом инвалидная коляска может помочь парализованному человеку обрести новую мобильность, переводя мысли пользователя в механические команды. 18 ноября в журнале iScience исследователи продемонстрировали, что пользователи с тетраплегией могут управлять управляемыми разумом инвалидными колясками в естественной, загроможденной среде после длительных тренировок.

"Мы показываем, что взаимное обучение как пользователя, так и алгоритма интерфейса мозг-машина важны для пользователей, чтобы успешно управлять такими инвалидными колясками", - говорит Хосе дель Р. Миллан, автор-корреспондент исследования в Техасском университете в Остине. "Наше исследование высвечивает потенциальный путь для улучшения клинического перевода неинвазивной технологии интерфейса мозг-машина".

Миллан и его коллеги привлекли трех людей с тетраплегией для лонгитюдного исследования. Каждый из участников проходил тренинги три раза в неделю в течение 2-5 месяцев. Участники носили тюбетейки, которые регистрировали активность их мозга с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая будет преобразована в механические команды для инвалидных колясок через устройство интерфейса мозг-машина. Участников попросили контролировать направление движения инвалидной коляски, думая о перемещении частей своего тела. В частности, им нужно было подумать о том, как двигать обеими руками, чтобы повернуть налево, и обеими ногами, чтобы повернуть направо.

На первом тренинге у трех участников был одинаковый уровень точности — когда ответы устройства совпадали с мыслями пользователей — примерно от 43% до 55%. В ходе обучения команда разработчиков устройств 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 тренировки, прежде чем команда обновила его устройство новым алгоритмом.

Улучшение, наблюдаемое у участников 1 и 3, коррелирует с улучшением распознавания признаков, которое заключается в способности алгоритма отличать паттерн мозговой активности, закодированный для мыслей "иди налево", от паттерна "иди направо". Команда обнаружила, что лучшая распознаваемость функций является результатом не только машинного обучения устройства, но и обучения в мозге участников. ЭЭГ участников 1 и 3 показала четкие сдвиги в паттернах мозговых волн, поскольку они повысили точность управления устройством в уме.

"Из результатов ЭЭГ мы видим, что испытуемый закрепил навык модуляции различных частей своего мозга для генерации паттерна "иди налево" и другого паттерна "иди направо", - говорит Миллан. "Мы считаем, что существует кортикальная реорганизация, которая произошла в результате процесса обучения участников".

По сравнению с участниками 1 и 3, у участника 2 не было существенных изменений в паттернах мозговой активности на протяжении всего тренинга. Его точность лишь незначительно повысилась в течение первых нескольких занятий, которые оставались стабильными на протяжении всего периода тренировок. Это говорит о том, что одного машинного обучения недостаточно для успешного управления таким устройством, управляемым разумом, говорит Миллан

К концу тренинга всех участников попросили проехать на своих инвалидных колясках по загроможденной больничной палате. Им пришлось обходить такие препятствия, как перегородка и больничные койки, которые установлены для имитации реальной обстановки. Оба участника 1 и 3 выполнили задание, в то время как участник 2 не смог его выполнить.

"Похоже, что для того, чтобы кто-то приобрел хорошее управление интерфейсом мозг-машина, которое позволяет ему выполнять относительно сложную повседневную деятельность, такую как вождение инвалидной коляски в естественной среде, требуется некоторая нейропластическая реорганизация в нашей коре головного мозга", - говорит Миллан.

В исследовании также подчеркивалась роль долгосрочного обучения пользователей. Хотя участник 1 показал исключительные результаты в конце, он также испытывал трудности на первых нескольких тренировках, говорит Миллан. Это лонгитюдное исследование является одним из первых, в котором оценивается клинический перевод неинвазивной технологии интерфейса мозг-машина у людей с тетраплегией.

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