Penelitian Baru yang Diterbitkan Akan Menstabilkan Antarmuka Otak-Komputer

Penelitian baru dari Carnegie Mellon University (CMU) dan University of Pittsburgh (Pitt) akan sangat meningkatkan dan menstabilkan antarmuka otak-komputer.

Penelitian ini diterbitkan di Nature Biomedical Engineering, dengan judul makalah “A stabilized brain-computer interface based on neural manifold alignment.”

Antarmuka Otak-Komputer (BCI)

Antarmuka otak-komputer (BCI) adalah perangkat yang memungkinkan individu yang cacat untuk mengontrol anggota tubuh prostetik, komputer, atau antarmuka lainnya dengan menggunakan pikiran mereka.

Salah satu tantangan terbesar yang terkait dengan menggunakan BCI di pengaturan klinis adalah bahwa rekaman neural dapat tidak stabil. Individu yang mengontrol BCI dapat kehilangan kontrol karena variasi dalam sinyal yang dipilih oleh BCI.

Setiap kali kehilangan kontrol terjadi, individu harus melalui proses kalibrasi ulang. Individu harus mengatur ulang koneksi antara perintah mental mereka dan tugas yang dilakukan, dan seringkali seorang teknisi manusia harus hadir.

William Bishop adalah seorang rekan di Janelia Farm Research Campus. Sebelumnya, ia adalah mahasiswa PhD dan rekan postdoktor di Departemen Pembelajaran Mesin di CMU.

“Bayangkan jika setiap kali kita ingin menggunakan ponsel kita, untuk membuatnya bekerja dengan benar, kita harus melakukan kalibrasi layar sehingga layar tahu bagian mana yang kita tunjuk,” kata Bishop. “Keadaan saat ini dari teknologi BCI sort of seperti itu. Hanya untuk membuat perangkat BCI ini bekerja, pengguna harus melakukan kalibrasi ulang yang sering. Jadi itu sangat tidak nyaman bagi pengguna, serta teknisi yang memelihara perangkat.”

Algoritma Pembelajaran Mesin Baru

Peneliti mempresentasikan algoritma pembelajaran mesin baru yang dapat mengakomodasi sinyal yang bervariasi. Individu dapat mempertahankan kontrol atas BCI bahkan ketika ketidakstabilan hadir. Peneliti mengembangkan ini setelah menemukan bahwa aktivitas populasi neural terjadi dalam “neural manifold” berdimensi rendah.

Alan Degenhart adalah seorang peneliti postdoktor di teknik elektro dan komputer di CMU.

“Ketika kita mengatakan ‘stabilisasi,’ apa yang kita maksud adalah bahwa sinyal neural kita tidak stabil, mungkin karena kita merekam dari neuron yang berbeda sepanjang waktu,” kata Degenhart. “Kami telah menemukan cara untuk mengambil populasi neuron yang berbeda sepanjang waktu dan menggunakan informasi mereka untuk mengungkapkan gambaran umum dari komputasi yang terjadi di otak, sehingga mempertahankan BCI yang terkalin meskipun ketidakstabilan neural.”

Metode Sebelumnya

Pendekatan sebelumnya untuk metode kalibrasi ulang juga telah menghadapi tantangan seputar ketidakstabilan. Tidak seperti metode lain, metode ini tidak bergantung pada subjek yang melakukan dengan baik selama proses kalibrasi ulang.

Byron Yu adalah seorang profesor teknik elektro dan komputer serta teknik biomedis di CMU.

“Misalkan ketidakstabilan sangat besar sehingga subjek tidak lagi dapat mengontrol BCI,” jelas Yu. “Prosedur kalibrasi ulang yang ada mungkin akan mengalami kesulitan dalam skenario tersebut, sedangkan dalam metode kami, kami telah menunjukkan bahwa dapat pulih dari ketidakstabilan yang sangat besar.”

Emily Oby, seorang peneliti postdoktor di neurobiologi di Pitt, juga berbicara tentang masalah ketidakstabilan.

“Ketidakstabilan rekaman neural tidak tercharacterisasi dengan baik, tetapi itu adalah masalah yang sangat besar,” kata Oby. “Tidak ada banyak literatur yang dapat kita tunjuk, tetapi secara anekdot, banyak laboratorium yang melakukan penelitian klinis dengan BCI harus menghadapi masalah ini cukup sering. Penelitian ini memiliki potensi untuk sangat meningkatkan viabilitas klinis BCI, dan untuk membantu menstabilkan antarmuka neural lainnya.”

Makalah ini juga mencakup penulis Steve Chase, profesor teknik biomedis dan Neuroscience Institute di CMU, bersama dengan Aaron Batists, profesor asosiasi teknik biomedis di Pitt, dan Elizabeth Tyler-Kabara, profesor asosiasi bedah saraf di Pitt.

Penelitian ini didanai oleh Craig H Neilsen Foundation, National Institutes of Health, DSF Charitable Foundation, National Science Foundation, PA Dept of Health Research, dan Simons Foundation.