Aivon ja koneen välinen liittymä voi auttaa halvaantuneita henkilöitä

Kansainvälinen tutkijaryhmä on kehittänyt kannettavan aivon ja koneen välimaisen (BMI) laitteen, joka voi parantaa elämänlaatua lihasdysfunktiota tai halvaantumista sairastavilla henkilöillä. Se voi jopa auttaa niitä, joilla on lukittu oireyhtymä, jossa henkilö ei pysty liikkumaan tai viestimään, vaikka on tajuissaan.

Tutkijaryhmää johti Woon-Hong Yeon laboratorio Georgia Institute of Technologysta, ja siihen kuului tutkijoita University of Kentistä Iso-Britanniasta ja Yonsei Universitysta Etelä-Koreasta. Ryhmä yhdisti langattoman pehmeän kaljuksiin kiinnitettävän elektronisen ja virtuaalitodellisuuden yhteen BMI-järjestelmään. Järjestelmä mahdollistaa käyttäjilleen istuimen tai robottikäden ohjauksen vain kuvittelemalla toimintoja.

Uusi BMI esiteltiin Advanced Science -lehdessä viime kuussa.

Mukavampi laite

Yeo on apulaisprofessori George W. Woodruffin mekaniikan insinööritieteellisessä koulussa.

“Järjestelmän suurin etu käyttäjälle verrattuna nykyisiin järjestelmiin on, että se on pehmeä ja mukava käyttää, eikä siinä ole johtoja”, sanoi Yeo.

BMI-järjestelmät voivat analysoida aivosignaaleja ja lähettää hermoaktiivisuutta komennoiksi, mikä mahdollistaa yksilöiden kuvittelemisen toimintoja BMI:n suorittamiseksi. Elektroenkefalograafia (EEG) on yleisin ei-invasiivinen menetelmä signaaleiden hankkimiseksi, mutta se vaatii usein päälaen, jossa on monia johtoja.

Näiden laitteiden käyttöön vaaditaan geeliä ja pastaa, jotta ihoon saadaan yhteys, ja koko asennus on aikaa vievää ja epämukavaa käyttäjälle. Lisäksi laitteet usein havaitsevat huonon signaalin hankinnan materiaalin heikkenemisen ja liikkeen aiheuttamien virheiden vuoksi, jotka johtuvat esimerkiksi hampaiden kiristymisestä. Tämänlainen kohina näkyy aivodatasta, ja tutkijoiden on suodatettava se pois.

Koneoppiminen ja virtuaalitodellisuus

Tutkijaryhmän suunnittelema kannettava EEG-järjestelmä parantaa signaalin hankintaa integroimalla interceptable mikroneula-elektrodit pehmiin langattomiin piireihin. Jotta järjestelmä voisi määrittää, mitä toimintoja käyttäjä haluaa suorittaa, ryhmä luotti koneoppimisalgoritmiin ja virtuaalitodellisuuden komponenttiin.

Tutkijaryhmän tekemissä kokeissa osallistui neljä ihmiskoetta, ja seuraava askel on kokeilla laitetta vammautuneilla henkilöillä.

Yeo on myös Georgia Techin Center for Human-Centric Interfaces and Engineering -keskuksen johtaja Institute for Electronics and Nanotechnologyssa, sekä Petit Institute for Bioengineering and Biosciencen jäsen.

“Tämä on vain ensimmäinen esittely, mutta olemme innoissamme siitä, mitä olemme nähneet”, sanoi Yeo.

Vuonna 2019 sama tutkijaryhmä esitteli pehmeän, kannettavan EEG-aivon ja koneen välimaisen liittymän, ja työhön osallistui myös Musa Mahmood, joka oli molempien tutkimusten pääkirjoittaja.

“Tämä uusi aivon ja koneen välinen liittymä käyttää täysin eri paradigmaa, joka perustuu kuviteltuihin liikkeisiin, kuten käsien puristamiseen, mikä vapauttaa koehenkilön katselemasta liian monia ärsykkeitä”, sanoi Mahmood.

Vuoden 2021 tutkimuksessa käyttäjät osoittivat tarkan hallinnan virtuaalitodellisuuden harjoituksissa ajatuksillaan eli motorisilla kuvitelmin.

“Virtuaalisten ärsykkeiden on osoitettu olevan erittäin hyödyllisiä”, sanoi Yeo. “Ne nopeuttavat ja parantavat käyttäjien sitoutumista ja tarkkuutta. Ja pystyimme tallentamaan jatkuvaa, laadukasta motorista kuvitelmatoimintaa.”

Mahmood sanoo, että tutkijaryhmä keskittyy nyt sähköden elektrodi-asennuksen optimointiin ja edistyneempään stimulaation perusteella EEG:n integrointiin.