Het dagelijks gebruik van door de hersenen bestuurde robots en neuroprothesen is de grootste belofte van de brain-machine interface (BMI) voor mensen die lijden aan ernstige motorische beperkingen. Een nieuwe studie van de Universiteit van Texas in Austin zet een stap voorwaarts op het gebied van brein-machine-interfaces: computersystemen die hersenactiviteit in actie omzetten.
In dit onderzoek konden meerdere mensen met een motorische beperking een rolstoel bedienen die hun gedachten omzet in beweging. Het onderzoek is ook belangrijk vanwege de niet-invasieve apparatuur die wordt gebruikt om de rolstoel.
José del R. Millán, professor aan de Chandra Family Department of Electrical and Computer Engineering van de Cockrell School of Engineering, die leiding gaf aan het internationale onderzoeksteam, zei: “We hebben aangetoond dat de mensen die de eindgebruikers van dit soort apparaten zullen zijn, kunnen navigeren in een natuurlijke omgeving met behulp van een brein-machine-interface. '
Het idee van een door gedachten aangedreven rolstoel wordt al jaren onderzocht. Toch zijn de meeste inspanningen gebaseerd op niet-gehandicapte mensen of op stimuli die ervoor zorgen dat de rolstoel de gebruiker controleert in plaats van andersom.
In dit geval bedienden drie mensen met tetraplegie (het onvermogen om de armen en benen te bewegen vanwege verwondingen aan de wervelkolom) de rolstoel met wisselend succes in een chaotische, natuurlijke omgeving. De interface heeft hun vastgelegd hersenactiviteit, en een machinaal leeralgoritme zette het om in instructies voor het bedienen van de rolstoel.
Wetenschappers merkten op, “Dit is een teken van toekomstige commerciële levensvatbaarheid voor door de geest aangedreven rolstoelen die mensen met een beperkte motorische functie kunnen helpen.”
“Het onderzoek is ook belangrijk vanwege de niet-invasieve apparatuur die wordt gebruikt om de rolstoel te bedienen.”
Verrassend genoeg implanteerden wetenschappers geen enkel apparaat in de deelnemers en gebruikten ze geen enkele vorm van stimulatie. Deelnemers moesten een pet dragen met elektroden die de elektrische activiteit van de hersenen registreerden, ook wel bekend als een elektro-encefalogram (EEG). Deze elektrische signalen werden versterkt en overgebracht naar een computer, waardoor de gedachten van elke deelnemer in actie werden omgezet.
Twee belangrijke dynamieken hebben in belangrijke mate bijgedragen aan het succes van het onderzoek. De eerste betreft een trainingsprogramma voor de gebruikers.
De technieken voor het visualiseren van het bewegen van de stoel werden aan de gebruikers geleerd op dezelfde manier waarop zij zouden hebben geleerd hun handen en voeten te bewegen. De hersenactiviteit van de studiedeelnemers veranderde terwijl ze opdrachten gaven, en de wetenschappers konden deze veranderingen volgen.
De tweede bijdrager heeft geleend van robotica. Om hun omgeving beter te begrijpen, rustten de wetenschappers hun rolstoelen uit met sensoren. Daarnaast gebruikten ze robotintelligentiesoftware om de rolstoel nauwkeurig en veilig te laten reizen door de gaten in de commando’s van de gebruiker op te vullen.
Millán zei, “Het lijkt veel op paardrijden. De ruiter kan het paard vertellen linksaf te slaan of een hek binnen te gaan. Maar het paard zal uiteindelijk moeten uitzoeken hoe hij die commando’s optimaal kan uitvoeren.”
Teamleden in het project zijn onder meer Luca Tonin van de Universiteit van Padua in Italië; Serafeim Perdikis van de Universiteit van Essex in het Verenigd Koninkrijk; Taylan Deniz Kuzu, Jorge Pardo, Thomas Armin Schildhauer, Mirko Aach en Ramón Martínez-Olivera van Ruhr-Universität Bochum in Duitsland; Bastien Orset van École polytechnique fédérale de Lausanne in Zwitserland; en Kyuhwa Lee van het Wyss Center for Bio and Neuroengineering in Zwitserland.
Journal Reference:
- Luca Tonin et al. Leren omgaan met een BMI-aangedreven rolstoel voor mensen met ernstige tetraplegie. iWetenschap DOI: 10.1016/j.isci.2022.105418
