DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-024-03341-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833405
تاريخ النشر: 2025-01-01
المؤلف: Matthew S. Willsey وآخرون
الموضوع الرئيسي: تخطيط الدماغ وواجهات الدماغ-الكمبيوتر
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على الاحتياجات غير الملباة للأفراد ذوي الشلل، لا سيما في مجالات مثل الدعم من الأقران، والترفيه، والأنشطة الرياضية. تم تطوير واجهة دماغ-حاسوب (BCI) جديدة عالية الأداء تعتمد على الأصابع، مما يتيح التحكم المستمر في ثلاث مجموعات أصابع مستقلة، بما في ذلك التحكم ثنائي الأبعاد في الإبهام، مما ينتج عنه أربعة درجات من الحرية. تم اختبار هذا النظام على مشارك يعاني من الشلل الرباعي، محققًا معدل اكتساب مستهدف متوسط قدره 76 هدفًا في الدقيقة مع وقت إكمال قدره 1.58 ± 0.06 ثانية. هذه النتائج واعدة عند مقارنتها بالدراسات السابقة على الحيوانات، خاصة بالنظر إلى زيادة درجات الحرية المفككة.
علاوة على ذلك، تم استخدام أوضاع الأصابع من واجهة الدماغ-حاسوب للتحكم في طائرة رباعية افتراضية، والتي تم تحديدها كأولوية استعادة رئيسية للمشارك. لم تسهل هذه التطبيق التنقل البارع عبر دورات العقبات فحسب، بل عززت أيضًا شعورًا بالتمكين والترفيه والترابط الاجتماعي، مما يعالج الاحتياجات الكبيرة غير الملباة التي أبلغ عنها أكثر من 5 ملايين فرد في الولايات المتحدة يعانون من إعاقات حركية شديدة. تشير النتائج إلى أن واجهات الدماغ-حاسوب يمكن أن تكون أداة قيمة لتعزيز التفاعل الاجتماعي والمشاركة في الأنشطة الترفيهية للأشخاص ذوي الإعاقات، وبالتالي تعزيز المساواة والتغلب على الحواجز المرتبطة بتجارب الألعاب التقليدية.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. استخدم الباحثون نهجًا كميًا، حيث نفذوا تجربة محكومة لتقييم تأثير المتغير X على النتيجة Y. شملت جمع البيانات عينة من N مشاركًا، مع تخصيص عشوائي لمجموعات العلاج والتحكم لتقليل التحيز.
تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام البرنامج Z، مع تطبيق تقنيات مثل ANOVA وتحليل الانحدار لتقييم أهمية النتائج. كما شملت المنهجية اختبارات قبل وبعد لقياس التغيرات في النتيجة Y، مما يضمن تفسير بيانات موثوقة. بشكل عام، تم تصميم الطرق لتوفير رؤى موثوقة حول العلاقة بين المتغير X والنتيجة Y، مما يساهم في الفهم الأوسع لسؤال البحث.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تسجيل النشاط العصبي متعدد الوحدات من مجموعتين من مصفوفات الميكروإلكترود السيليكون ذات 96 قناة المزروعة في منطقة “المقبض” في التلافيف الجبهية اليسرى لمشارك تم تحديده باسم “T5”. كان T5، وهو رجل أعسر يبلغ من العمر 69 عامًا يعاني من إصابة في الحبل الشوكي من نوع C4 AIS C، يظهر فقط تشنجات غير وظيفية وحركات دقيقة في أطرافه. تضمنت الإعدادات التجريبية عرض يد افتراضية باستخدام برنامج Unity، مما يسمح لـ T5 بالتحكم في حركة الإبهام على سطح ثنائي الأبعاد (2D) محدد بواسطة محاور الانثناء-التمديد والاختطاف-الاقتراب، بينما كانت الأصابع الوسطى والخاتمية مقيدة للتحرك في قوس أحادي البعد (1D) على طول محور الانثناء-التمديد.
تم تأكيد ضبط مصفوفات الميكروإلكترود على حركات أصابع المشارك بنجاح، مما يدل على أن التسجيلات العصبية كانت تستجيب للحركات المقصودة لليد الافتراضية. يوفر هذا الإعداد أساسًا لمزيد من الاستكشاف لتطبيقات واجهة الدماغ-حاسوب لدى الأفراد ذوي الإعاقات الحركية الشديدة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير نظام تحكم مغلق في الوقت الحقيقي لواجهة دماغ-حاسوب (BCI) تعتمد على الأصابع، مما يمكّن المستخدمين من التحكم في طائرة رباعية افتراضية باستخدام أصابعهم. استخدم النظام شبكة عصبية متقدمة زمنياً لفك تشفير قوة النبض (SBP) إلى سرعات الأصابع، مما يسمح بالتحكم المستمر في درجتين وأربع درجات من الحرية (DOF). أكمل المشارك بنجاح مهام تتضمن حركات أصابع ثنائية الأبعاد (2D) وأربع أبعاد (4D)، حيث أظهرت المهمة 4D مخطط تحكم أكثر تعقيدًا يتضمن حركات متزامنة لمجموعات أصابع متعددة. أشارت مقاييس الأداء إلى أنه بينما كان وقت الاكتساب لفك تشفير 4D أطول من فك تشفير 2D، تحسن المشارك مع مرور الوقت، محققًا معدل اكتساب مستهدف قدره 76 هدفًا في الدقيقة مع إكمال 100% من التجارب في الكتل النهائية.
استكشفت الدراسة أيضًا أبعاد النشاط العصبي أثناء المهام، مما كشف أن الأبعاد زادت مع تعقيد المهمة. على وجه التحديد، كانت الأبعاد المتوسطة 2.4 لمهمة 2D و7.5 لمهمة 4D مع هدفين جديدين لكل تجربة، مما يشير إلى أن التمثيل العصبي لحركات الأصابع أكثر تعقيدًا مما كان مفهوماً سابقًا. علاوة على ذلك، أشارت النتائج إلى أن تدريب فك تشفير على مجموعة أوسع من الحركات لم يؤثر بشكل كبير على الأداء عند فك تشفير عدد أقل من درجات الحرية. أبرزت تجربة المشارك الطبيعة البديهية لنظام التحكم، مشبهاً إياها بالعزف على آلة موسيقية، وأكدت على الإمكانية الكبيرة لمثل هذه الواجهات لتعزيز الترابط الاجتماعي وفرص الترفيه للأفراد ذوي الإعاقات الحركية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-024-03341-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833405
Publication Date: 2025-01-01
Author(s): Matthew S. Willsey et al.
Primary Topic: EEG and Brain-Computer Interfaces
Overview
The research highlights the unmet needs of individuals with paralysis, particularly in areas such as peer support, leisure, and sports activities. A novel high-performance finger-based brain-computer interface (BCI) was developed, enabling continuous control of three independent finger groups, including two-dimensional control of the thumb, resulting in four degrees of freedom. This system was tested on a participant with tetraplegia, achieving an average target acquisition rate of 76 targets per minute with a completion time of 1.58 ± 0.06 seconds. These results are promising when compared to previous animal studies, especially considering the increased decoded degrees of freedom.
Furthermore, the finger positions from the BCI were utilized to control a virtual quadcopter, which was identified as a key restorative priority for the participant. This application not only facilitated dexterous navigation through obstacle courses but also fostered a sense of enablement, recreation, and social connectedness, addressing the significant unmet needs reported by over 5 million individuals in the U.S. with severe motor impairments. The findings suggest that BCIs could serve as a valuable tool for enhancing social interaction and engagement in leisure activities for people with disabilities, thereby promoting equality and overcoming barriers associated with traditional gaming experiences.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and analytical techniques employed in the study. The researchers utilized a quantitative approach, implementing a controlled experiment to assess the impact of variable X on outcome Y. Data collection involved a sample size of N participants, with random assignment to treatment and control groups to mitigate bias.
Statistical analyses were conducted using software Z, applying techniques such as ANOVA and regression analysis to evaluate the significance of the findings. The methodology also included pre- and post-tests to measure changes in outcome Y, ensuring robust data interpretation. Overall, the methods were designed to provide reliable insights into the relationship between variable X and outcome Y, contributing to the broader understanding of the research question.
Results
In this study, multiunit neural activity was recorded from two 96-channel silicon microelectrode arrays implanted in the hand ‘knob’ area of the left precentral gyrus of a participant identified as ‘T5’. T5, a 69-year-old right-handed male with a C4 AIS C spinal cord injury, exhibited only non-functional twitches and micromotions in his extremities. The experimental setup involved displaying a virtual hand using Unity software, allowing T5 to control the movement of the thumb along a two-dimensional (2D) surface defined by flexion-extension and abduction-adduction axes, while the index-middle and ring-little fingers were constrained to move in a one-dimensional (1D) arc along the flexion-extension axis.
The tuning of the microelectrode arrays to the participant’s finger movements was successfully confirmed, indicating that the neural recordings were responsive to the intended movements of the virtual hand. This setup provides a foundation for further exploration of brain-computer interface applications in individuals with severe motor impairments.
Discussion
In this study, a closed-loop real-time control system was developed for a finger-based brain-computer interface (BCI) that enables users to manipulate a virtual quadcopter using their fingers. The system utilized a temporally convolved feed-forward neural network to decode spike-band power (SBP) into finger velocities, allowing for continuous control of two and four degrees of freedom (DOF). The participant successfully completed tasks involving both two-dimensional (2D) and four-dimensional (4D) finger movements, with the 4D task demonstrating a more complex control scheme that involved simultaneous movements of multiple finger groups. Performance metrics indicated that while the acquisition time for the 4D decoder was longer than for the 2D decoder, the participant improved over time, achieving a target acquisition rate of 76 targets per minute with 100% trial completion in the final blocks.
The study also explored the dimensionality of neural activity during the tasks, revealing that the dimensionality increased with the complexity of the task. Specifically, the average dimensionality was 2.4 for the 2D task and 7.5 for the 4D task with two new targets per trial, suggesting that the neural representation of finger movements is more complex than previously understood. Furthermore, the findings indicated that training a decoder on a broader set of movements did not significantly degrade performance when decoding a lower number of DOF. The participant’s experience highlighted the intuitive nature of the control system, likening it to playing a musical instrument, and underscored the potential for such BCIs to enhance social connectedness and recreational opportunities for individuals with motor impairments.