Prima proteză cerebrală „plug and play” a funcționat la o persoană paralizată

Într-o descoperire semnificativă, cercetătorii Institutului de Neuroștiințe UC San Francisco Weill care lucrează la un membru protetic controlat de creier au arătat că tehnicile de învățare automată au ajutat o persoană cu paralizie să învețe să controleze un cursor de computer.

Aceasta a folosit activitatea creierului, fără a necesita un update zilnic extins, ceea ce a fost o cerință a tuturor eforturilor din trecut cu privire la interfața creier-computer (BCI).

„Câmpul BCI a făcut progrese semnificative în ultimii ani, dar pentru că sistemele existente au trebuit resetate și recalibrate în fiecare zi, nu au reușit să intre în procesele naturale de învățare ale creierului. Este ca și cum ai cere cuiva să învețe să meargă pe bicicletă din nou și din nou de la zero”, a declarat autorul principal al studiului, Karunesh Ganguly, profesor asociat la Departamentul de Neurologie al UCSF.

„Adaptarea unui sistem de inteligență artificială pentru a funcționa fără probleme cu schemele sofisticate de învățare pe termen lung ale creierului este ceva ce nu a fost demonstrat până acum la o persoană cu paralizie”.

Realizarea performanței „plug and play” demonstrează valoarea matricilor de electrozi ECoG pentru aplicațiile BCI. O matrice ECoG cuprinde un tampon de electrozi de dimensiunea unui post-it, care este plasat chirurgical pe suprafața creierului.

Acesta permite înregistrări stabile pe termen lung ale activității neuronale și au fost aprobate pentru monitorizarea convulsiilor la pacienții cu epilepsie. În schimb, eforturile BCI din trecut au folosit matrici de tip „pin-cushion” de electrozi ascuțiți care pătrund în țesutul creierului pentru înregistrări mai sensibile, dar tind să se schimbe sau să piardă semnalul în timp.

În acest caz, autorii au obținut aprobarea dispozitivului de investigație pentru implantarea cronică pe termen lung a matricelor ECoG la subiecții paralizați, pentru a testa siguranța și eficacitatea lor ca implanturi BCI stabile pe termen lung.

Care este scopul acestei cercetări

În noua lor lucrare, publicată recent în Nature Biotechnology, echipa lui Ganguly documentează utilizarea unui set de electrozi ECoG la un individ cu paralizie a tuturor celor patru membre (tetraplegie). Participantul este, de asemenea, înscris într-un studiu clinic conceput pentru a testa utilizarea matricelor EcoG, pentru a permite pacienților paralizați să controleze mâna și brațul protetic, dar în noua lucrare, participantul a folosit implantul pentru a controla cursorul unui computer pe un ecran.

Astfel, cercetătorii au dezvoltat un algoritm BCI care utilizează AI pentru a potrivi activitatea creierului înregistrată de electrozii ECoG cu mișcările dorite ale cursorului de către utilizator. Inițial, cercetătorii au urmat practica standard de resetare a algoritmului în fiecare zi.

Participantul ar începe prin a-și imagina mișcări specifice gâtului și încheieturii mâinii, în timp ce urmărea cursorul deplasându-se pe ecran. Treptat, algoritmul computerului s-ar actualiza singur pentru a potrivi mișcările cursorului cu activitatea creierului generată, trecând efectiv controlul cursorului către utilizator.

Cu toate acestea, demararea acestui proces în fiecare zi pune o limită severă asupra nivelului de control care ar putea fi atins. Poate dura ore întregi pentru a stăpâni controlul dispozitivului și, în câteva zile, participantul a trebuit să renunțe cu totul.

Cercetătorii au trecut apoi pentru a permite algoritmului să continue actualizarea pentru a se potrivi cu activitatea cerebrală a participantului fără a o reseta în fiecare zi. Au descoperit astfel că interacțiunea continuă dintre semnalele cerebrale și algoritmul îmbunătățit de învățare automată a dus la îmbunătățiri continue ale performanței pe parcursul mai multor zile. Inițial, a existat un pic de teren pierdut de compensat în fiecare zi, dar în curând participantul a reușit să obțină imediat performanțe de nivel superior.

„Vedem acest lucru ca încercând să construim un parteneriat între două sisteme de învățare – creier și computer – care să permită în cele din urmă interfața artificială să devină o extensie a utilizatorului, precum mâna sau brațul lor”, spun oamenii de știință.

În cele din urmă, odată ce expertiza a fost stabilită, cercetătorii au arătat că ar putea opri nevoia algoritmului de a se actualiza complet, iar participantul ar putea începe, pur și simplu, să utilizeze interfața în fiecare zi, fără a fi nevoie de recalibrare.