Rozhraní mozku umožňuje dekódování řeči a kontrolu počítače u pacienta ALS

University of California, Davis Researchers vyvinuli rozhraní mozkového počítače (BCI), které umožňuje kontrolu a kliknutí na počítačové kurzor, pomocí nervových signálů z motorické kůry řeči. Jeden účastník s amyotrofní laterální sklerózou (ALS) použil rozhraní pro každodenní činnosti, včetně nezávislé kontroly osobního počítače a zadávání textu.

Neurologická onemocnění, jako je mrtvice nebo ALS, mohou cesta přerušit z mozku do svalů, což způsobuje ztrátu pohybu a komunikace. ALS postupně ničí horní a dolní dráhy motorických neuronů a ponechává poznání neporušené, ale způsobuje ochrnutí ve všech čtyřech končetinách a významné řeč Poškození.

Rozhraní mozkového počítače jsou intrakortikální implantovaná zařízení, která obcházejí jakékoli narušení čtením nervových signálů přímo z mozku a produkcí výstupu jménem uživatele. Mnoho BCI se spoléhalo Neurální aktivita Z dorzální motorické kůry, oblasti mozku spojené s pohyby rukou a paží. Když jsou signály dekódovány, mohou uživatelé přesunout a kurzor pokusem nebo představením pohybu končetin.

Naproti tomu řeč BCIS spoléhá na ventrální precentrální gyrus, kde jsou nervové signály spojeny s pohyby obličeje a artikulací řeči. Dekódování Neurální signály Z této oblasti umožňuje rychlou komunikaci založenou na řeči, ale nebylo prokázáno, že podporuje obecnou počítačovou navigaci nebo řízení pohybu.

Implantace do hřbetních i ventrálních oblastí by byla ideální, přesto je považována za chirurgicky nepraktické nebo neproveditelné. V důsledku toho si musí uživatelé a kliničtí lékaři vybrat mezi kontrolou kurzoru a dekódováním řeči.

Ve studii „motorická kůra řeči umožňuje ovládání kurzoru BCI a klikne,“ Publikováno v Journal of Neural EngineeringVědci provedli případovou studii pro jednoho účastníka, aby otestovali, zda nervová aktivita z motorické kůry řeči může podpořit jak kontrolu kurzoru, tak dekódování řeči pomocí jediného místa implantátu.

Z výzkumu se zúčastnil jednoho účastníka s ALS, 45letý muž s ochrnutím ve všech čtyřech končetinách a potíže s mluvením jasně. Všechna sezení byla spuštěna v domě účastníka.

Do ventrálního precentrálního gyru účastníka byla chirurgicky implantována čtyři 64-elektrodová pole. Elektrodové cílení se řídilo předoperačním MRI a kortikálním zarovnáním s projektem lidského konektomu.

Neurální signály byly získány při vzorkovací frekvenci 30 kHz a pásmo filtrovány mezi 250 a 5 000 Hz. Prahové přechody a síla pruhu špiček byly vypočteny každou milisekundu z každé elektrody. Tyto vlastnosti byly poté seskupeny do 10 milidezových zásobníků a vytvořily proud 512-dimenzionálních vektorů, které sloužily jako vstup do dekódovacích systémů.

K vyhodnocení byly použity tři paradigmata úkolů výkon systému: Kalibrace radiální8, hodnocení mřížky a současná řeč a kurzor. Lineární pohyb kurzoru řízeného lineárním rychlostí, zatímco samostatný lineární klasifikátor dekódoval události kliknutí.

Parametry dekodéru byly nepřetržitě rekalibrovány pomocí lineární regrese pro rychlost a Logistická regrese Pro klasifikaci kliknutí s hmotnostmi aktualizovanými každých několik sekund během aktivního ovládání.

Kalibrace došlo rychle, když účastník získal svůj první cíl pomocí nervové kontroly do 40 sekund po zahájení systému.

Během pozdějších sezení s optimalizovaným nastavením použil účastník systém k ovládání kurzoru s vysokou účinností a průměroval 2,90 bitů za sekundu. Dřívější relace vykazovaly nižší výkon a průměrovaly 1,67 bitů za sekundu. Nejvyšší sazba zaznamenaná v jakékoli jednotlivé relaci byla 3,16 bitů za sekundu. Jeden bit za sekundu odpovídá schopnosti provádět několik přesných rozhodnutí za minutu, přičemž vyšší hodnoty označují rychlejší a přesnější kontrolu.

Během 1 263 celkových pokusů bylo správně vybráno 1 175 cílů, což odpovídá 93% přesnosti. Došlo k osmdesáti osmi nesprávným výběrům a kvůli časovému limitu nekončily žádné pokusy. Na dočasně deaktivovaných cílech bylo zaregistrováno šest kliknutí a 23 kliknutí došlo mimo jakoukoli cílovou hranici.

Klikněte na klasifikační výkon překročil šanci ve všech čtyřech elektrodových polích. Jedno dobře umístěné pole přispělo nejvíce k dekódování kurzoru a úzce odpovídalo výkonu dekodéru plného pole.

V relacích zahrnujících současnou kontrolu řeči a kurzoru se střední doba získávání cílů zvýšila na 4,51 sekundy. Podmínky bez řeči se pohybovaly od 3,37 do 3,51 sekundy, což ilustruje, že produkce řeči zasahovala do schopnosti účastníka ovládat kurzor, ale nezpůsobila zpoždění při sekvenčních akcích. Zlepšení designu dekodéru by mohla zmírnit rušení a zvýšit budoucí použitelnost.

Jediný web implantátu podporoval jak komunikační, tak výpočetní funkce v nezávislém domácím prostředí, což poskytovalo důkaz o konceptu pro proveditelnost multimodálních systémů BCI.

U pacientů kognitivně neporušené, ale neschopné používat své končetiny nebo mluvit, může nervové rozhraní, které poskytuje jak kontrolu počítačového kurzu, tak dekódování řeči, obnovit klíčové komunikační kanály, nezávislost a podstatně zlepšit kvalitu života.

© 2025 Science X Network