Nylig publisert forskning vil dramatisk stabilisere hjernen-datamaskin-grensesnitt

Ny forskning fra Carnegie Mellon University (CMU) og University of Pittsburgh (Pitt) vil dramatisk forbedre og stabilisere hjernen-datamaskin-grensesnitt.

Forskningen ble publisert i Nature Biomedical Engineering, med artikkelens tittel “A stabilized brain-computer interface based on neural manifold alignment.”

Hjernen-datamaskin-grensesnitt (BCI)

Hjernen-datamaskin-grensesnitt (BCI) er enheter som gjør det mulig for funksjonshemmede personer å kontrollere proteser, datamaskiner eller andre grensesnitt ved å bruke sine tanker.

En av de største utfordringene ved å bruke BCI i en klinisk setting er at de neurale opptakene kan være ustabile. Personen som kontrollerer BCI kan til slutt miste kontrollen på grunn av variasjoner i signalene som BCI mottar.

Når denne tapet av kontroll skjer, må personen gå gjennom en omkalibreringsprosess. Personen må nullstille forbindelsen mellom sine mentale kommandoer og oppgavene som utføres, og en annen tekniker må ofte være til stede.

William Bishop er en stipendiat ved Janelia Farm Research Campus. Han var tidligere en PhD-student og postdoktor ved avdelingen for maskinlæring ved CMU.

“Tenk hvis hver gang vi ville bruke mobiltelefonen vår, for å få den til å fungere riktig, måtte vi kalibrere skjermen så den visste hvilken del av skjermen vi pekte på,” sier Bishop. “Den nåværende tilstanden for BCI-teknologi er litt som det. Bare for å få disse BCI-enhetene til å fungere, må brukerne gjøre denne hyppige omkalibreringen. Så det er ekstremt ulempefullt for brukerne, samt teknikerne som vedlikeholder enhetene.”

Ny maskinlæringsalgoritme

Forskerne presenterte en ny maskinlæringsalgoritme som kan håndtere de varierte signalene. Personen kan fortsatt kontrollere BCI selv når ustabilitetene er til stede. Forskerne utviklet denne etter å ha funnet ut at neural populasjonsaktivitet skjer i et lavdimensjonalt “neuralt manifold”.

Alan Degenhart er en postdoktor ved avdelingen for elektroteknikk og datateknikk ved CMU.

“Når vi sier ‘stabilisering’, mener vi at våre neurale signaler er ustabile, kanskje fordi vi recorderer fra forskjellige nerver over tid,” sier Degenhart. “Vi har funnet ut en måte å ta forskjellige populasjoner av nerver over tid og bruke deres informasjon til å avsløre en felles bilde av beregningen som skjer i hjernen, og dermed holde BCI kalibrert til tross for neurale ustabiliteter.”

Tidligere metoder

Tidligere tilnærminger til selv-omkalibreringsmetoder har også vært møtt med utfordringer omkring ustabilitet. I motsetning til andre metoder, er denne metoden ikke avhengig av at subjektet utfører godt under omkalibreringsprosessen.

Byron Yu er en professor i elektroteknikk og datateknikk og biomedisinsk ingeniør ved CMU.

“La oss si at ustabiliteten var så stor at subjektet ikke lenger kunne kontrollere BCI,” forklarer Yu. “Eksisterende selv-omkalibreringsprosedyrer vil sannsynligvis ha problemer i denne situasjonen, mens vår metode har demonstrert at den kan i mange tilfeller gjenopprette fra disse katastrofale ustabilitetene.”

Emily Oby, en postdoktor ved neurobiologisk avdeling ved Pitt, snakket også om problemet med ustabilitet.

“Neurale opptaks-ustabiliteter er ikke godt karakterisert, men det er et meget stort problem,” sier Oby. “Det finnes ikke mye litteratur som vi kan peke på, men anekdotisk sett har mange av laboratoriene som gjør klinisk forskning med BCI å gjøre med dette problemet ganske ofte. Denne forskningen har potensialet til å dramatisk forbedre den kliniske anvendeligheten av BCI og å hjelpe med å stabilisere andre neurale grensesnitt.”

Artikkelen inkluderte også forfatterne Steve Chase, professor i biomedisinsk ingeniør og Neuroscience Institute ved CMU, samt Aaron Batists, associate professor i bioingeniør ved Pitt, og Elizabeth Tyler-Kabara, associate professor i nevrokirurgi ved Pitt.

Forskningen ble finansiert av Craig H Neilsen Foundation, National Institutes of Health, DSF Charitable Foundation, National Science Foundation, PA Dept of Health Research, og Simons Foundation.