Para que una interfaz cerebro-computadora BCI sea realmente útil para una persona con tetraplejia, debe estar lista siempre que sea necesario, con una mínima intervención de expertos, incluida la primera vez que se usa. En un nuevo estudio en el Revista de Ingeniería Neural , los investigadores de la colaboración BrainGate * demuestran nuevas técnicas que permitieron a tres participantes lograr el máximo rendimiento de BCI dentro de los tres minutos de participar en un proceso fácil de un solo paso.
Un participante, "T5", un hombre de 63 años que nunca antes había usado un BCI, necesitaba solo 37 segundos de tiempo de calibración antes de poder controlar el cursor de una computadora para alcanzar objetivos en una pantalla, simplemente imaginando usar sumano para mover un joystick.
El Dr. David Brandman, autor principal del estudio e investigador postdoctoral de ingeniería en la Universidad de Brown, dijo que si bien las innovaciones adicionales ayudarán a mover los BCI implantables como BrainGate hacia la disponibilidad clínica para los pacientes, este avance de la calibración rápida e intuitiva es claveuno. Podría permitir que los futuros usuarios y sus cuidadores usen el sistema mucho más rápido y lo mantengan calibrado a largo plazo.
"Hasta ahora, comenzar con un BCI ha requerido la supervisión de un técnico capacitado", dijo Brandman, cuya investigación involucró a un equipo de científicos, ingenieros y médicos de toda la colaboración BrainGate, que incluye a Brown, el Providence Veterans Affairs MedicalCenter PVAMC, Hospital General de Massachusetts MGH, Case Western Reserve University y Stanford University.
"Nuestros resultados sugieren que una vez que comencemos a grabar desde la corteza motora de nuestros usuarios, podemos presionar el botón 'calibrar' y permitir al usuario desarrollar rápidamente un control del cursor intuitivo y de alta calidad", agregó Brandman. "Nuestro nuevo enfoqueelimina la necesidad de supervisión técnica durante la calibración. Esto nos lleva un paso más cerca de llevar este sistema a las personas que esperamos se beneficien de él ".
El autor principal, Dr. Leigh Hochberg, director del consorcio BrainGate y ensayo clínico, profesor de ingeniería en Brown, neurólogo de cuidados críticos en MGH y director del Centro de Investigación y Desarrollo de Rehabilitación VA para Neurorestauración y Neurotecnología en el PVAMC - estuvo de acuerdoque el nuevo documento es un avance clave.
"En los últimos años, nuestro equipo ha demostrado que las personas con tetraplejia pueden usar el BrainGate BCI en investigación para obtener el control multidimensional de un brazo robótico, apuntar y hacer clic en la pantalla de una computadora para escribir más de 39 caracteres correctos porminuto, e incluso mover su propio brazo y mano nuevamente, todo simplemente pensando en ese movimiento ", dijo Hochberg.
"Pero cada uno de estos logros requirió tiempo, no para entrenar al usuario, sino para entrenar a la computadora a interpretar la actividad neuronal que refleja los movimientos de la mano intencionalmente generados por nuestros usuarios. Tradicionalmente, esto había requerido muchos minutos-creación larga y extremadamente aburrida de un decodificador neuronal. Aquí, el usuario se dedica inmediatamente a construir ese decodificador y puede ver que el control del cursor evoluciona a veces incluso en los primeros 30 segundos y continúa mejorando en solo tres minutos.realmente emocionante."
Calibración rápida
El documento muestra que sin comprometer el rendimiento del control del cursor, el nuevo proceso de calibración elimina varios pasos y aproximadamente ocho minutos de tiempo en comparación con el método de calibración tradicional. En ese enfoque anterior, los participantes del ensayo trabajaron de forma iterativa y explícita a través de la adquisición de objetivosintentos mientras un técnico de investigación clínica capacitado monitorea y actualiza el software.
Brandman dijo que el nuevo software de decodificador emplea algoritmos de aprendizaje estadísticos. Estos permiten que el sistema BCI aprenda más rápidamente qué señales neuronales registradas por los implantes en la corteza motora del cerebro se comunican sobre la intención de los usuarios de mover sus brazos ymanos. Este aprendizaje más rápido permitió al equipo racionalizar la calibración.
Esencialmente, todo lo que los participantes tenían que hacer era imaginar mover un cursor desde el centro de un círculo de ocho objetivos a cualquier objetivo que iluminara un color diferente. Mantenerse sobre el objetivo por un momento fue suficiente para indicar la selección. Durante aproximadamente el primer minuto, según muestran los datos del estudio, el control del cursor fue errático, como lo indican los caminos tambaleantes desde el centro al objetivo. Pero en el segundo minuto, los caminos que los participantes trazaron se habían vuelto mucho más rectos
Usando una versión del decodificador, por ejemplo, el rendimiento de calibración saturado para T5 en aproximadamente 43 segundos, para "T10", un hombre de 34 años, alrededor de 100 segundos y para "T8", un 55-años-anciano, en 136 segundos. Los tres participantes habían sufrido lesiones de la médula espinal que resultaron en tetraplejia.
Cada participante en la investigación también realizó otra tarea en la que seleccionó objetivos que aparecen aleatoriamente en una cuadrícula en pantalla. Estas pruebas fueron diseñadas para medir una "tasa de bits" de información similar a escribir en un teclado y comparar el rendimiento después de usarel método de calibración tradicional en comparación con el uso del nuevo método. Los resultados mostraron que los participantes lograron la misma velocidad de bits después del nuevo método de un paso y tres minutos que el que pudieron lograr usando el viejo método de 11 minutos, supervisado por un técnico y de varios pasos.método.
Trabajando la primera vez
Hochberg dijo que, para muchos otros BCI, la expectativa es que el usuario y el equipo de investigación trabajarán juntos durante días o semanas antes de que el usuario pueda obtener un control útil del BCI. Al menos en teoría, sin embargo, un BCI intracortical debería funcionarla primera vez. Con este nuevo método de calibración, el equipo de BrainGate se propuso probar si un nuevo usuario de BCI, alguien que nunca había usado el BrainGate BCI o cualquier otro, podría obtener el control del cursor en su primerintento.
"Por supuesto, solo tenemos una oportunidad de ver si un usuario de BCI puede ganar intuitivamente el control del cursor la primera vez", dijo Hochberg.
Brandman recordó ese momento exacto con T5.
"El día antes de su primer intento de usar el BCI intracortical para controlar el cursor de una computadora, le describí a T5 que el sistema iba a grabar desde una parte del cerebro que era responsable de coordinar el movimiento de la mano y el brazo", Brandman"Entonces le pedí que sugiriera imágenes que serían intuitivas para él y sugirió usar un joystick".
"La primera vez que trató de usar el sistema, no funcionó. Me quedé perplejo. Pero luego T5 me preguntó: '¿Cuándo debería comenzar?', Así que le expliqué que debería comenzar a usar el sistema con elimágenes de joystick que había sugerido. Luego rápidamente obtuvo el control del cursor y golpeó su primer objetivo en 37 segundos. Luego dijo: '¡Marque uno para el tipo en la silla de ruedas!' "
Jaimie Henderson, investigadora principal en el sitio Stanford BrainGate, señaló: "Fue bastante sorprendente. Le pedimos a T5 que lo probara. Y simplemente funcionó. Estaba moviendo el cursor por la pantalla, así como otros que habían estado usandoel sistema por meses o años "
Krishna Shenoy, profesor Lim de ingeniería eléctrica, bioingeniería y neurobiología en Stanford e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, señaló: "Esta reducción sustancial en el tiempo de entrenamiento es notable ya que requiere que el nuevo algoritmo haga un uso muy eficiente delos datos neuronales llegan por tan poco tiempo, menos de un minuto en algunos casos, y ayudan a señalar el camino hacia nuevos avances de importancia en el mundo real ".
Como neurólogo de cuidados críticos y director del Centro de Neurotecnología y Neurorecubrimiento de MGH Neurology, Hochberg dijo que ve "con demasiada frecuencia los efectos del accidente cerebrovascular, la insuficiencia neuromuscular de la ELA, la lesión de la médula espinal y una serie de otras enfermedades o lesionesdel sistema nervioso que deja a las personas incapaces de moverse o de comunicarse. Y no quiero nada más que poder proporcionar una tecnología que restaure esa capacidad de comunicarse y restablezca la capacidad de moverse. Si bien hay mucha más investigación y desarrollo por delante, ver el video de T5 ganar el control del cursor en su primer swing reforzó el potencial de neurorestauración que las BCI intracraneales pueden proporcionar en el futuro ".
Imaginando movimiento intuitivo
Además de hacer que el proceso de calibración sea más rápido y fácil, el equipo de investigación también quería aprender más sobre qué imágenes los usuarios encontraban más intuitivas. Esto es importante, dijo Brandman, para que el sistema sea lo más fácil de usar posible para el usuario,mientras aprovecha la riqueza y la complejidad de las señales neuronales registradas desde la corteza motora.
Entonces, en otra serie de experimentos, T5 realizó la tarea de calibración con cada uno de los cinco modos adicionales de intento de movimiento después de comenzar con las imágenes del joystick que eligió. Estas cubrieron varios escenarios en los que algunas partes del brazo y la mano se mueven libremente perootros permanecen fijos. Por ejemplo, en "bola de ratón", T5 imaginó mover su muñeca y codo como si moviera el cursor con un mouse de bola de seguimiento, mientras que en "brazo completo" imaginó mover su brazo en el espacio libre para que su índice fijoel dedo podría apuntar a los objetivos en pantalla.
El rendimiento con cada modo varió ligeramente, pero en todos los casos T5 logró el control cercano al pico en 60 segundos. Al final, después de ver sus resultados, decidió que "mouse mouse" era su nuevo favorito.
"Una de las cosas bellas sobre el uso de la grabación intracortical es que pudimos permitir que T5 use múltiples imágenes que fueran intuitivas para él y permitirle ver los beneficios de cada imagen en tiempo real", dijo Brandman.
Brandman dijo que también le alentó que el sistema de calibración fuera lo suficientemente robusto como para acomodar todas las imágenes de movimiento que preferían los diferentes participantes.
Continuar desarrollando el sistema más fácil de usar, confiable y flexible posible para las personas con tetraplejia es un objetivo principal de este ensayo de factibilidad, dijo Hochberg.
Puede encontrar más información sobre la colaboración BrainGate en http://www.braingate.org .
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud: Instituto Nacional de Sordera y Otros Trastornos de la Comunicación R01DC009899, R01DC014034; el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver / Centro Nacional de Investigación de Rehabilitación Médica R01HD077220;Servicio de Investigación y Desarrollo de Rehabilitación, Departamento de Asuntos de Veteranos B6453R, A6779I, N9228C, B4853C; Fundación Nacional de Ciencias 1309004; MGH - Instituto Deane; Premio Joseph Martin de Investigación Básica / Comité Ejecutivo de Investigación ECOR de MGH; Stanford BioX-NeuroVentures; Stanford Office of Postdoctoral Affairs; ALSA Milton Safenowitz Postdoctoral Fellowship; Howard Hughes Medical Institute at Stanford University; Garlick Foundation; Katie Samson Foundation; Craig H. Neilsen Foundation; Canadian Institute of Health Research 336092; Killam TrustAward Foundation; y el Brown Institute for Brain Science.
* Precaución: Dispositivo de investigación. Limitado por la ley federal al uso en investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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