Преобразовывая мысли пользователей в механические команды, инвалидная коляска, управляемая разумом, может помочь парализованному человеку заново обрести подвижность. В исследовании, опубликованном в журнале iScience, исследователи демонстрируют, что пользователи с параличом нижних конечностей могут управлять инвалидными колясками силой мысли, хоть и после длительного обучения.
Для эксперимента разработчики набрали трех человек с тетраплегией для лонгитюдного исследования. Каждый из участников проходил тренинги три раза в неделю в течение от 2 до 5 месяцев. Участники носили специальные "шапки", которые определяли активность их мозга с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ), которая затем преобразовывалась в механические команды для инвалидных колясок через устройство интерфейса мозг-машина. 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.
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 авторов работы, одного только машинного обучения недостаточно для успешного управления таким сложным 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.
Авторы комментируют свои результаты так:
Похоже, что для того, чтобы кто-то приобрел хороший контроль над интерфейсом мозг-машина, который позволяет ему выполнять относительно сложную повседневную деятельность, такую как вождение инвалидной коляски в естественной среде, требуется некоторая нейропластическая реорганизация в нашей коре.
В исследовании также подчеркивалась роль долгосрочного обучения пользователей. По словам ученых, хотя участник 1 показал исключительные результаты в конце, он также испытывал трудности на первых нескольких тренировках. Продольное исследование является одним из первых, в котором оценивается клиническое применение неинвазивной технологии интерфейса "мозг-машина" у людей с тетраплегией.
Затем команда 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 варианты решения проблемы для людей, испытывающих трудности с процессом обучения в будущем.