Возможность неинвазивного управления роботизированными устройствами, используя только мысли, будет иметь широкое применение, в частности, принося пользу парализованным пациентам и людям с двигательными расстройствами.
Было показано, что BCI обеспечивают хорошую производительность для управления роботизированными устройствами, используя только сигналы, воспринимаемые от имплантатов мозга. Когда роботами можно управлять с высокой точностью, их можно использовать для выполнения множества повседневных задач.
Однако до сих пор в BCI, успешно управляющих роботизированными руками, использовались инвазивные мозговые имплантаты. Эти имплантаты требуют значительного количества медицинских и хирургических навыков для правильной установки и эксплуатации, не говоря уже о стоимости и потенциальных рисках для субъектов, и поэтому их использование было ограничено всего несколькими клиническими случаями.
Грандиозная задача в исследовании BCI – разработать менее инвазивную или даже полностью неинвазивную технологию, которая позволила бы парализованным пациентам управлять своим окружением или роботизированными конечностями, используя свои собственные «мысли»."Такая неинвазивная технология BCI, в случае успеха, принесет столь необходимую технологию многочисленным пациентам и даже потенциально для населения в целом.
Однако ИМК, которые используют неинвазивное внешнее зондирование, а не мозговые имплантаты, получают «грязные» сигналы, что приводит к текущему более низкому разрешению и менее точному контролю. Таким образом, при использовании только мозга для управления роботизированной рукой неинвазивный ИМК не выдерживает использования имплантированных устройств. Несмотря на это, исследователи BCI продвинулись вперед, их внимание привлекла менее или неинвазивная технология, которая могла бы ежедневно помогать пациентам повсюду.
Бин Хе, попечительский профессор и заведующий кафедрой биомедицинской инженерии в Университете Карнеги-Меллона, достигает этой цели, делая одно ключевое открытие за раз.
"Были достигнуты значительные успехи в области роботизированных устройств, управляемых разумом, с использованием имплантатов мозга. Это отличная наука », – говорит он. "Но неинвазивность – это конечная цель.
Достижения в нейронном декодировании и практическая полезность неинвазивного управления роботизированной рукой будут иметь большое значение для возможного развития неинвазивных нейророботиков."
Используя новые методы зондирования и машинного обучения, он и его лаборатория смогли получить доступ к сигналам глубоко внутри мозга, достигнув высокого разрешения контроля над роботизированной рукой. С помощью неинвазивной нейровизуализации и новой парадигмы непрерывного преследования он преодолевает зашумленные сигналы ЭЭГ, что приводит к значительному улучшению нейронного декодирования на основе ЭЭГ и упрощает непрерывное управление роботизированными 2D-устройствами в режиме реального времени.
Используя неинвазивный BCI для управления роботизированной рукой, которая отслеживает курсор на экране компьютера, он впервые показал на людях, что роботизированная рука теперь может непрерывно следовать за курсором. В то время как роботизированные руки, контролируемые людьми неинвазивно, ранее следовали за движущимся курсором резкими дискретными движениями – как будто роботизированная рука пыталась «догнать» команды мозга, – теперь рука следует за курсором плавно, непрерывно. дорожка.
В статье, опубликованной в Science Robotics, команда создала новую структуру, которая обращается к «мозговым» и «компьютерным» компонентам BCI и улучшает их за счет увеличения вовлеченности и обучения пользователей, а также пространственного разрешения неинвазивных нейронных данных посредством визуализации источника ЭЭГ.
В статье «Неинвазивная нейровизуализация улучшает непрерывное нейронное отслеживание для управления роботизированными устройствами» показано, что уникальный подход команды к решению этой проблемы не только улучшил обучение BCI почти на 60% для традиционных центральных задач, но и улучшил непрерывное отслеживание компьютера. курсор более чем на 500%.
У технологии также есть приложения, которые могут помочь множеству людей, предлагая безопасный, неинвазивный «контроль сознания» устройств, который может позволить людям взаимодействовать с окружающей средой и управлять ею. На сегодняшний день технология протестирована на 68 здоровых людях (до 10 сеансов для каждого субъекта), включая управление виртуальным устройством и управление роботизированной рукой для непрерывного преследования.
Технология напрямую применима к пациентам, и команда планирует провести клинические испытания в ближайшем будущем.
«Несмотря на технические проблемы с использованием неинвазивных сигналов, мы полностью привержены тому, чтобы предоставить эту безопасную и экономичную технологию людям, которые могут извлечь из нее пользу», – говорит он. "Эта работа представляет собой важный шаг в создании неинвазивных интерфейсов мозг-компьютер, технологии, которая когда-нибудь может стать широко распространенной вспомогательной технологией, помогающей всем, как смартфоны."
Эта работа была частично поддержана Национальным центром дополнительного и комплексного здоровья, Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта, Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии и Национальным институтом психического здоровья.