Мы демонстрируем, что взаимное обучение как пользователя, так и алгоритма интерфейса мозг-машина важны для успешного управления такими инвалидными колясками. Наше исследование указывает на потенциальный путь для улучшения клинического применения технологии неинвазивного интерфейса мозг-машина
— Хосе дель Р. Миллан, автор исследования из Техасского университета в Остине.
Миллан и его коллеги набрали трех человек с тетраплегией для продолжительного исследования. Каждый из участников проходил тренинги три раза в неделю от 2 до 5 месяцев. Участники носили налобные устройства, которые определяли активность их мозга с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая затем преобразовывалась в механические команды для инвалидных колясок.
Участников попросили контролировать направление 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, то есть способности алгоритма отличать паттерн активности мозга, закодированный для мыслей «иди налево», от шаблона для «иди направо». Команда обнаружила, что лучшее различие характеристик 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 модулирования различных частей своего мозга, чтобы генерировать паттерн «иди влево» и другой паттерн «иди вправо. Мы считаем, что корковая реорганизация произошла в результате процесса обучения участников
— Миллан.
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 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, для того, чтобы кто-то приобрел хороший контроль над интерфейсом мозг-машина, который позволяет ему выполнять относительно сложную повседневную деятельность, требуется некоторая нейропластическая реорганизация в коре мозга», — заключил Миллан.
В исследовании также отмечена роль долгосрочного обучения пользователей. По словам Миллана, хотя участник 1 показал исключительные результаты в конце, он также испытывал трудности на первых нескольких тренировках.
В ближайшее время команда исследователей 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.
