Nowy BCI od Yale uczy się sterować awatarem w mniej niż godzinę, szanując naturalne okablowanie mózgu

Naukowcy z Uniwersytetu Yale rozwiązali frustrującą bolączkę w rozwoju interfejsów mózg-komputer (Brain-Computer Interfaces – BCI). W badaniu opublikowanym 9 czerwca w czasopiśmie Nature Neuroscience wykazali, że nieinwazyjne BCI wcale nie muszą być powolne i nieporadne. Sekret nie tkwi w lepszym sprzęcie ani większej ilości danych – to fundamentalna zmiana filozofii projektowania. Zamiast zmuszać mózg do uczenia się arbitralnego interfejsu, zespół Yale zbudował system, który sam dostosowuje się do naturalnego „systemu operacyjnego” mózgu .

Główna zasada: Podążanie naturalnymi szlakami mózgu

Kluczowym odkryciem badania z Yale jest fakt, że aktywność neuronalna nie jest przypadkowa. Przemieszcza się ona utartymi, niskowymiarowymi szlakami – można je sobie wyobrazić jako preferowane autostrady myśli. Wcześniejsze interfejsy BCI często prosiły użytkowników o generowanie przypadkowych wzorców aktywności, co przypominało zmuszanie kogoś do jazdy w terenie. Zespół z Yale, kierowany przez główną autorkę Ericę Busch, obrał przeciwną strategię .

„Aktywność w mózgu wędruje utartymi szlakami” – wyjaśniają badacze. „Współpraca z tymi szlakami, zamiast walki z nimi, jest kluczem do nauczenia się obsługi BCI” .

Ich system wykorzystuje algorytm uczenia maszynowego, który w czasie rzeczywistym odkrywa te wewnętrzne struktury. Następnie neurofeedback jest dostosowywany tak, aby prowadzić użytkowników po tych naturalnych ścieżkach, pozwalając im na rozszerzanie szlaków w nowych kierunkach, aby osiągnąć kontrolę .

Kluczowe odkrycie: Od godzin frustracji do mniej niż 60 minut

Wyniki były uderzające. Uczestnicy korzystający z BCI dopasowanego do geometrii mózgu nauczyli się sterować awatarem w grze wideo w mniej niż godzinę. To jaskrawy kontrast w porównaniu z wcześniejszymi interfejsami opartymi na fMRI w czasie rzeczywistym, które często wymagały nawet 10 długich sesji treningowych na osobę. Co gorsza, w tych starszych systemach około jedna trzecia użytkowników nigdy nie osiągała niezawodnej kontroli .

Nowe podejście zasadniczo wyeliminowało problem „osób nieuczących się”, udowadniając, że szybka i powszechna kontrola BCI jest możliwa, gdy interfejs szanuje naturalną strukturę mózgu .

Metodologia: fMRI w czasie rzeczywistym i kora wzrokowa

Zespół wykorzystał funkcjonalny rezonans magnetyczny (fMRI), aby dostarczać neurofeedback w czasie rzeczywistym, koncentrując się konkretnie na korze wzrokowej. Uczestnicy uczyli się modulować aktywność w tym obszarze mózgu wzdłuż wymiarów zidentyfikowanych przez algorytm uczący się struktur geometrycznych. To ukierunkowane podejście jest odejściem od trenowania przypadkowych obszarów mózgu, osadzając BCI w konkretnym, dobrze poznanym układzie nerwowym .

Co się dzieje, gdy złamie się tę zasadę

Badanie nie tylko pokazało, co działa, ale także udowodniło, co kończy się porażką. Kiedy BCI celowo zaprojektowano tak, aby działał wbrew naturalnej geometrii mózgu – prosząc uczestników o modulowanie aktywności w wymiarach źle dopasowanych do wewnętrznej struktury neuronalnej – nauka zatrzymywała się w miejscu. Użytkownicy wykazywali niewielką lub żadną poprawę, co doskonale odtworzyło rozczarowujące wyniki poprzednich konstrukcji BCI .

To odkrycie to coś więcej niż tylko techniczny przypis; dostarcza ono przyczynowego wyjaśnienia, dlaczego wcześniejsze nieinwazyjne BCI tak często miały problemy. Barierą nigdy nie była tylko jakość sygnału czy wysiłek użytkownika – było to fundamentalne niedopasowanie między projektem interfejsu a architekturą operacyjną mózgu.

Zespół stojący za badaniem

Badania były interdyscyplinarnym wysiłkiem na Uniwersytecie Yale. Jego pierwszą autorką była Erica Busch, niedawna doktorantka. Autorami korespondującymi są Smita Krishnaswamy z wydziałów Genetyki i Informatyki Yale oraz Nicholas Turk-Browne z Wydziału Psychologii. Współautorami są również E. Chandra Fincke i Guillaume Lajoie .

Szersze implikacje dla medycyny, gier i nie tylko

Implikacje wykraczają daleko poza gry wideo. Autorzy twierdzą, że każda neurotechnologia zaprojektowana do interakcji z mózgiem – czy to pomagająca osobom z zaburzeniami ruchowymi lub komunikacyjnymi, opracowująca terapie na depresję lub stany lękowe, czy budująca urządzenia konsumenckie nowej generacji – będzie skuteczniejsza, jeśli zostanie zbudowana wokół naturalnej geometrii mózgu. Badanie to wyznacza plan, jak uczynić te interwencje szybszymi, skuteczniejszymi i bardziej dostępnymi .

Ta filozofia projektowania, stawiająca na pierwszym miejscu człowieka i zgodność z geometrią, może stanowić punkt zwrotny. Jak sugerował jeden z artykułów na temat tych badań, być może już niedługo tradycyjny kontroler do gier wideo odejdzie do lamusa – nie z powodu jednego urządzenia, ale z powodu mądrzejszego sposobu słuchania mózgu .