Новый нейроимплант дал возможность парализованному человеку управлять компьютером

Новый нейроимплант дал возможность парализованному человеку управлять компьютером

Исследователи Института неврологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, работающие над созданием протезной конечности, управляемой мозгом, показали, что методы машинного обучения помогли человеку с параличом научиться управлять компьютерным курсором, используя свою мозговую активность. При этом у него не было необходимости в ежедневной интенсивной переподготовке, которая раньше была обязательным требованием для всех интерфейсов мозг-компьютер (BCI).

Проблема постоянного переобучения

В последние годы в области BCI был достигнут большой прогресс, но поскольку существующие системы приходилось перезагружать и калибровать каждый день, они не могли задействовать естественные процессы обучения мозга. Это все равно, что просить кого-то научиться ездить на велосипеде снова и снова с нуля каждый день. Адаптация системы искусственного обучения для бесперебойной работы со сложными схемами долгосрочного обучения мозга — это то, чего никогда раньше не было у человека с параличом.

Достижение Plug and Play  (подключи и работай) демонстрирует ценность так называемых наборов электродов ЭКоГ для приложений BCI. Матрица ЭКоГ включает подушечку электродов размером с монетку, которая хирургическим путем помещается на поверхность мозга. Она позволяет вести длительную и стабильную регистрацию нервной активности и  ранее уже была одобрена для мониторинга приступов у пациентов с эпилепсией. 

В прошлых версиях BCI использовались наборы острых игольчатых электродов, которые проникают в ткань мозга для более чувствительной записи. Но имеют тенденцию смещаться или терять сигнал со временем. 

В своей новой статье, опубликованной 7 сентября 2020 года в журнале Nature Biotechnology , команда описала  использование массива электродов ЭКоГ у человека с параличом всех четырех конечностей (тетраплегия). Участник также участвует в клиническом испытании, предназначенном для проверки использования ЭКоГ, позволяющих парализованным пациентам управлять протезом руки и кисти, но в этом исследовании участник использовал имплант для управления курсором компьютера на экране.

Как проходило исследование

Исследователи разработали алгоритм BCI, который использует машинное обучение для сопоставления активности мозга, регистрируемой электродами ЭКоГ, с желаемыми движениями курсора пользователя. Первоначально исследователи следовали стандартной практике ежедневного сброса алгоритма. Участник начинал с представления определенных движений шеи и запястий, наблюдая, как курсор перемещается по экрану. 

Постепенно компьютерный алгоритм обновлялся, чтобы согласовывать движения курсора с генерируемой им мозговой активностью, эффективно передавая управление курсором пользователю. Однако запуск этого процесса каждый день серьезно ограничивает уровень контроля, который может быть достигнут. 

бионические протезы в европе

Чтобы овладеть контролем над устройством, могли потребоваться часы, а в некоторые дни участнику приходилось отказываться от него вообще.

Затем исследователи переключились на то, чтобы алгоритм продолжал обновляться, соответствуя активности мозга участника, не сбрасываясь каждый день. Они обнаружили, что постоянное взаимодействие между сигналами мозга и алгоритмом с улучшенным машинным обучением приводит к постоянному повышению производительности в течение многих дней. Изначально каждый день нужно было наверстать упущенное, но вскоре участник смог сразу же достичь высочайшего уровня.

В конце концов, как только опыт был накоплен, исследователи показали, что они могут полностью отключить алгоритм обновления самого себя, и участник мог просто начать использовать интерфейс каждый день без необходимости в переобучении или повторной калибровке. При отсутствии переобучения результативность не снижалась в течение 44 дней, и участник мог даже несколько дней не тренироваться и видеть небольшое снижение производительности. Установление стабильного опыта в одной из форм управления BCI (перемещение курсора) также позволило исследователям начать «складывать» дополнительные изученные навыки, такие как «нажатие» виртуальной кнопки, без потери производительности.

Перспективы развития проекта

Такая немедленная эксплуатация BCI по принципу «включай и работай» долгое время была целью в этой области, но была недостижимой, потому что электроды типа «подушечка-подушечка», используемые большинством исследователей, имеют тенденцию со временем перемещаться, изменяя сигналы, воспринимаемые каждым электродом. Кроме того, поскольку эти электроды проникают в ткань мозга, иммунная система имеет тенденцию отвергать их, постепенно ухудшая их сигнал. Матрицы ЭКоГ менее чувствительны, чем эти традиционные имплантаты, но их долговременная стабильность компенсирует этот недостаток. Стабильность записей ЭКоГ может стать даже более важной для долгосрочного управления более сложными роботизированными системами, такими как протезы. И это что будет ключевой целью следующего этапа исследований.

Новость подготовлена по материалам:

https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200907112335.htm

 

 
 
Возможно вас заинтересует
Новое соединение убивает устойчивых к антибиотикам супербактерий
Исследователи из Шеффилдского университета разработали новое соединение, способное убивать как грамположительные, так и грамотрицательные устойчивые к антибиотикам бактерии. Грамположительные и грамотрицательные бактерии имеют разные структуры...
Протезы с возможностью осязания — фантастика становится реальностью
Бионические нейромоторные протезы  уже совершили настоящую революцию в ортопедии… Почти.
Специальное покрытие уменьшает осложнения имплантации сердечных клапанов
Исследователи из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU) разработали новый метод нанесения противовоспалительных веществ на имплантаты с целью подавления нежелательных иммунных воспалительных реакций в организме. Их исследование было...
Сканирование FDG-PET может диагностировать деменцию за годы до развития симптомов
Генетические изменения в гене C9orf72 достоверно связаны с заболеваниями головного мозга при лобной деменции (FTD) и ALS. 
Создано вещество, которое может стать идеальным жиросжигателем
Ожирением страдают 13 процентов населения мира. Ожирение сопровождается множеством других взаимосвязанных заболеваний, включая сердечно-сосудистые заболевания, диабет и ожирение печени, что делает заболевание одним из самых трудных и наиболее важных...