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患有四肢瘫痪的人可以快速使用脑机接口

对于脑电脑界面(BCI)来说,对于患有四肢瘫痪的人来说真的很有用,它应该在需要时做好准备,只需要最少的专家干预,包括第一次使用它。在“神经工程学报”的一项新研究中,BrainGate *合作的研究人员展示了新技术,这些技术使得三个参与者能够在一个简单的一步过程中在三分钟内达到峰值BCI性能。

一名参与者,“T5”,一名从未使用过BCI的63岁男子,只需要控制电脑光标到达屏幕上的目标,只需要37秒的校准时间,只需想象用他的手来移动操纵杆。

该项研究的第一作者,布朗大学的工程博士后研究员David Brandman博士表示,虽然其他创新将有助于将像BrainGate这样的植入式BCI转向患者的临床可用性,但快速,直观的校准是一个关键的进展。它可以让未来的用户及其护理人员更快地使用该系统,并使其长期保持校准状态。

“到目前为止,开始接受BCI需要由经过培训的技术人员进行监督,”Brandman表示,他的研究工作涉及BrainGate合作的科学家,工程师和医生团队,其中包括布朗,普罗维登斯退伍军人事务医疗中心( PVAMC),马萨诸塞州综合医院(MGH),凯斯西储大学和斯坦福大学。

“我们的结果表明,一旦我们开始记录用户的运动皮层,我们就可以按下'校准'按钮,让用户快速开发出直观,高质量的光标控制,”Brandman补充道。“我们的新方法消除了校准期间技术人员监督的需要。这使我们更接近将这个系统推向那些我们希望从中受益的人。”

资深作者Leigh Hochberg博士 - BrainGate财团和临床试验主任,布朗工程学教授,MGH重症监护神经病学家,以及PVAMC神经恢复和神经技术VA康复研究和发展中心主任 - 同意新论文是一项重大进展。

“在过去几年中,我们的团队已经证明患有四肢瘫痪的人可以使用研究性的BrainGate BCI获得机器人手臂的多维控制,在计算机屏幕上点击并按每分钟输入39个以上的正确字符, Hochberg说,甚至可以再次移动自己的手臂和手 - 所有这一切都只是通过思考这一动作。

“但是这些成就中的每一项都需要时间 - 不是培​​训用户,而是训练计算机如何解释反映我们用户直观生成的手部动作的神经活动。传统上,这需要很长时间,非常无聊的神经解码器的创建。在这里,用户立即参与构建解码器,并且有时甚至在前30秒内可以看到光标控制进化,并在短短三分钟内继续改进。看着我们的参与者这样做真是令人兴奋“。

快速校准

该论文表明,与传统的校准方法相比,新的校准过程不会影响光标控制性能,可以省去几个步骤,大约8分钟的时间。在较旧的方法中,试验参与者通过目标获取尝试进行迭代和明确的工作,同时经过培训的临床研究技术人员监控和更新软件。

Brandman说,新的解码器软件采用统计学习算法。这使得BCI系统能够更快地了解大脑运动皮层中植入物记录的神经信号正在传达用户移动手臂和手的意图。这种更快速的学习使团队能够简化校准。

基本上,所有参与者必须做的是想象将光标从八个目标的圆心移动到任何一个点亮不同颜色的目标。暂时瞄准目标足以表明选择。大约第一分钟,研究数据显示,光标控制不稳定,如从中心到目标的摇摆路径所示。但到了第二分钟,参与者追踪的路径变得更加直线。

例如,使用一个版本的解码器,对于T5,在大约43秒内达到饱和度,对于“T10”,一个34岁的男人,大约100秒,对于“T8”,一个55岁的男人,在136秒内。所有三名参与者均患有脊髓损伤,导致四肢瘫痪。

研究中的每个参与者还执行了另一项任务,在该任务中他们在屏幕上的网格中选择随机出现的目标。这些测试旨在测量类似于在键盘上打字的信息的“比特率”,并在使用传统校准方法与使用新方法之后比较性能。结果显示,参与者在新的一步法,三分钟法之后达到了相同的比特率,而不是使用旧的多步骤,技术人员监督的11分钟方法。

第一次工作

Hochberg表示,对于许多其他BCI而言,期望用户和研究团队将在用户可以获得对BCI的有用控制之前数天到数周一起工作。然而,至少在理论上,皮质内BCI应该是第一次起作用。通过这种新的校准方法,BrainGate团队开始测试一个全新的BCI用户 - 一个从未使用过BrainGate BCI或其他任何人的用户 - 是否能够在他的第一次尝试时获得光标控制。

Hochberg说:“当然,我们只有一次机会看到BCI用户是否可以直观地获得光标控制。”

布兰德曼回忆起T5的确切时刻。

“在他第一次尝试使用皮质内BCI来控制计算机光标的前一天,我向T5描述了系统将从负责协调手和手臂运动的大脑部分进行记录,”Brandman说。“然后我让他建议对他来说很直观的图像,他建议使用操纵杆。

“他第一次尝试使用该系统时,它没有用。我很困惑。但是T5问我,'我应该什么时候开始?' 所以我向他解释说他应该开始使用他建议的操纵杆图像系统。然后他迅速控制光标并在37秒内击中他的第一个目标。然后他说,'为轮椅上的那个人打一分!'”

Stanford BrainGate网站的首席研究员Jaimie Henderson指出,“这真是太神奇了。我们要求T5尝试一下。它只是有效。他正在屏幕上移动光标以及其他一直使用该系统的人几个月或几年。“

斯坦福大学电子工程,生物工程和神经生物学的Lim教授,霍华德休斯医学研究所的研究员Krishna Shenoy指出,“训练时间的显着减少非常显着,因为它需要新算法来高效利用神经数据在某些情况下,在一分钟内进入这么短的时间,并帮助为实际重要性的进一步发展指明方向。“

作为重症监护神经病学家和MGH神经病学神经技术与神经恢复中心的主任,Hochberg说,他经常看到中风,ALS神经肌肉衰竭,脊髓损伤以及许多其他疾病或损伤的影响。让人们无法移动或无法沟通的神经系统。我只想提供一种能够恢复沟通能力并恢复移动能力的技术。虽然还有更多的研究和开发,但观看T5在他第一次挥杆时获得光标控制的视频增强了颅内BCI可能在未来提供的神经恢复的可能性。“

想象直观的动作

除了使校准过程更快更容易之外,研究团队还希望了解更多关于哪些用户最直观的图像。Brandman说,这一点非常重要,它使系统尽可能易于用户使用,同时充分利用从运动皮层记录的神经信号的丰富性和复杂性。

因此,在另一系列实验中,T5在使用他选择的操纵杆图像开始后,使用五种其他尝试运动模式中的每一种执行校准任务。这些涉及各种场景,其中手臂和手的某些部分自由移动但其他部分保持固定。例如,在“鼠标球”中,T5想象移动他的手腕和肘部,好像用轨迹球鼠标移动光标一样,而在“整臂”中,他想象在自由空间中移动他的手臂,这样他的固定食指就可以指向屏幕上的目标。

每种模式的性能略有不同,但在每种情况下,T5都能在60秒内实现近峰值控制。最后,在看到他的结果后,他认为“鼠标球”是他的新宠。

“使用皮质内记录的一个好处是,我们能够让T5使用对他来说直观的多个图像,并让他能够实时看到每个图像的好处,”Brandman说。

布兰德曼说他也受到鼓励,校准系统足够强大,可以容纳不同参与者喜欢的所有运动图像。

Hochberg说,继续为四肢瘫痪患者开发最容易使用,可靠和灵活的系统是该可行性试验的主要目标。

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