Aivon ja koneen välinen liittymä voi auttaa halvaantuneita yksilöitä

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 hän on tajuissaan.

Tutkijaryhmää johti Woon-Hong Yeon laboratorio Georgia Institute of Technologysta ja siihen kuului tutkijoita University of Kentistä Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja Yonsei Universitysta Etelä-Koreassa. Ryhmä yhdisti langattomat pehmeät kaljuuntuneet sähköiset ja virtuaalitodellisuuden yhden BMI-järjestelmän. Järjestelmä mahdollistaa käyttäjilleen ohjata pyörätuolia tai robottikättä vain kuvittelemalla toimintoja.

Uusi BMI kuvailtiin Advanced Science -lehdessä viime kuussa.

Mukavampi laite

Yeo on apulaisprofessori George W. Woodruffin mekaanisen insinööritieteen koulussa.

“Tämän järjestelmän suuri etu käyttäjälle verrattuna nykyisiin laitteisiin on, että se on pehmeä ja mukava käyttää, eikä siinä ole johtoja”, sanoi Yeo.

BMI-järjestelmät voivat analyysin aivokäyttäytymistä ja lähettää hermoaktiivisuutta komentoihin, mikä mahdollistaa yksilöiden kuvitella toimintoja BMI:n suorittamiseksi. ElektroEnkefalograafia eli EEG on yleisin ei-invasiivinen menetelmä signaaleiden hankkimiseksi, mutta se vaatii usein pääkallon, jossa on monia johtoja.

Näiden laitteiden käyttöön vaaditaan geeliä ja pastaa, jotta iholle saadaan yhteys, ja kaikki tämä asettelu on aikaa vievää ja epämukavaa käyttäjälle. Lisäksi laitteet usein ovat huonoja signaaleja hankkimassa materiaalin heikkenemisen ja liikkeen aiheuttamien häiriöiden vuoksi, jotka johtuvat esimerkiksi hampaiden kiristymisestä. Tämänlainen melu ilmenee aivodatasta, ja tutkijoiden on suodatettava se.

Koneoppiminen ja virtuaalitodellisuus

Tutkijaryhmän suunnittelemassa kannettavassa EEG-järjestelmässä signaaleja hankitaan paremmin kiinnittäen mikro-neuloja elektrodeja pehmeisiin langattomiin piireihin. Jotta järjestelmä voisi määrittää, mitä toimintoja käyttäjä haluaa suorittaa, ryhmä luotti koneoppimisalgoritmiin ja virtuaalitodellisuuden komponenttiin.

Ryhmän suorittamissa testeissä osallistui neljä ihmiskoetta, ja seuraava askel on testata laitetta vammautuneilla henkilöillä.

Yeo on myös Georgian teknillisen korkeakoulun 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 ryhmä esitteli pehmeän, kannettavan EEG-aivon ja koneen välimaisen liittymän, ja tutkimukseen osallistui myös Musa Mahmood, joka oli molempien tutkimusten pääkirjoittaja.

“Tämä uusi aivon ja koneen välinen liittymä käyttää täysin eri paradigman, joka sisältää kuviteltuja motorisia toimintoja, kuten kourimista kummallakin kädellä, mikä vapauttaa koehenkilön liiasta stimulaatiosta”, sanoi Mahmood.

Vuoden 2021 tutkimuksessa käyttäjät osoittivat tarkan hallinnan virtuaalitodellisuuden harjoitusten kanssa ajatuksillaan eli motorisen kuvittelun avulla.

“Virtuaalisten ohjainten on osoittautunut erittäin hyödyllisiksi”, Yeo sanoi. “Ne nopeuttavat ja parantavat käyttäjän sitoutumista ja tarkkuutta. Ja pystyimme tallentamaan jatkuvaa, laadukasta motorista kuvittelutoimintaa.”

Mahmood sanoo, että ryhmä keskittyy nyt sähköden asettamisen optimointiin ja edistyneempään stimulaatiopohjaiseen EEG:hen.