Nieuw gepubliceerd onderzoek zal hersen-computerinterfaces drastisch stabiliseren

Nieuw onderzoek van de Carnegie Mellon University (CMU) en de University of Pittsburgh (Pitt) zal hersen-computerinterfaces drastisch verbeteren en stabiliseren.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature Biomedical Engineering, met als titel “Een gestabiliseerde hersen-computerinterface op basis van neurale manifoldalignatie.”

Hersen-Computerinterfaces (BCI)

Hersen-computerinterfaces (BCI) zijn apparaten die het mogelijk maken voor mensen met een handicap om prothesen, computercurors of andere interfaces te bedienen met hun geest.

Een van de grootste uitdagingen bij het gebruik van BCI’s in een klinische setting is dat de neurale opnames onstabiel kunnen zijn. De persoon die de BCI bedient, kan uiteindelijk de controle verliezen vanwege variaties in de signalen die door de BCI worden opgepikt.

Wanneer dit verlies van controle gebeurt, moet de persoon een herkalibratieproces doorlopen. De persoon moet de verbinding tussen hun mentale commando’s en de taken die worden uitgevoerd, opnieuw instellen, en een andere menselijke technicus moet vaak aanwezig zijn.

William Bishop is een fellow aan het Janelia Farm Research Campus. Hij was eerder een PhD-student en postdoctoraal onderzoeker in de afdeling Machine Learning van de CMU.

“Stel je voor dat elke keer dat we onze mobiele telefoon willen gebruiken, we de scherm moeten kalibreren zodat het weet welk deel van het scherm we aanwijzen,” zegt Bishop. “De huidige stand van de techniek in BCI-technologie is een beetje zoals dat. Om deze BCI-apparaten te laten werken, moeten gebruikers deze frequentieherkalibratie uitvoeren. Dus dat is extreem onhandig voor de gebruikers, evenals voor de technici die de apparaten onderhouden.”

Nieuwe Machine Learning-algoritme

De onderzoekers presenteerden een nieuw machine learning-algoritme dat in staat is om rekening te houden met de variabele signalen. De persoon kan de controle over de BCI behouden, zelfs wanneer de instabiliteiten aanwezig zijn. De onderzoekers ontwikkelden dit na het vinden dat neurale populatieactiviteit plaatsvindt in een laagdimensionale “neurale manifold”.

Alan Degenhart is een postdoctoraal onderzoeker in elektrische en computerengineering aan de CMU.

“Wanneer we ‘stabilisatie’ zeggen, bedoelen we dat onze neurale signalen onstabiel zijn, mogelijk omdat we opnames maken van verschillende neuronen in de loop van de tijd,” zegt Degenhart. “We hebben een manier gevonden om verschillende populaties van neuronen in de loop van de tijd te gebruiken en hun informatie te gebruiken om een gemeenschappelijk beeld te onthullen van de berekening die in de hersenen plaatsvindt, waardoor de BCI gekalibreerd blijft ondanks neurale instabiliteiten.”

Vorige methoden

Vorige benaderingen van zelfherkalibratiemethoden zijn ook geconfronteerd met uitdagingen met betrekking tot instabiliteiten. In tegenstelling tot andere methoden, is deze methode niet afhankelijk van het feit dat de onderwerp goed presteert tijdens het herkalibratieproces.

Byron Yu is een professor in elektrische en computerengineering en bio-medische techniek aan de CMU.

“Stel dat de instabiliteit zo groot was dat de onderwerp niet langer in staat was om de BCI te bedienen,” legt Yu uit. “Bestaande zelfherkalibratieprocedures zullen waarschijnlijk worstelen in die situatie, terwijl onze methode heeft aangetoond dat het in veel gevallen kan herstellen van dergelijke catastrofale instabiliteiten.”

Emily Oby, een postdoctoraal onderzoeker in neurobiologie aan Pitt, sprak ook over het probleem van instabiliteit.

“Neurale opname-instabiliteiten zijn niet goed gekarakteriseerd, maar het is een zeer groot probleem,” zegt Oby. “Er is niet veel literatuur waar we naar kunnen verwijzen, maar anekdotisch gezien, moeten veel laboratoria die klinisch onderzoek doen met BCI, vaak met dit probleem omgaan. Dit onderzoek heeft het potentieel om de klinische haalbaarheid van BCI’s aanzienlijk te verbeteren en om andere neurale interfaces te stabiliseren.”

Het artikel bevatte ook auteurs Steve Chase, professor in bio-medische techniek en het Neuroscience Institute aan de CMU, evenals Aaron Batists, associate professor in bio-engineering aan Pitt, en Elizabeth Tyler-Kabara, associate professor in neurochirurgie aan Pitt.

Het onderzoek werd gefinancierd door de Craig H Neilsen Foundation, de National Institutes of Health, DSF Charitable Foundation, National Science Foundation, PA Dept of Health Research, en de Simons Foundation.