Transcranial magnetic stimulation-based brain-computer interface with neurofeedback facilitates motor imagery of different daily life hand actions
Deze proof-of-concept studie demonstreert dat een nieuwe, gepersonaliseerde hersen-computerinterface op basis van transcraniële magnetische stimulatie (TMS), gecombineerd met motorische verbeelding en neurofeedback, gezonde volwassenen in staat stelt om hersenactiviteit succesvol te moduleren en complexe, onderscheidende handacties te decoderen, wat het potentieel ervan voor neurorehabilitatie bij individuen met ernstige motorische beperkingen benadrukt.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Stel je een wereld voor waarin de geest het lichaam kan trainen, zelfs wanneer het lichaam niet kan bewegen. Dit is de belofte van hersen-computerinterfaces, een veld waar wetenschappers leren de elektrische fluisteringen van de hersenen te lezen en deze te vertalen naar commando's. Decennialang hebben onderzoekers zich gericht op eenvoudige bewegingen, zoals het voorstellen van een hand die sluit of opent. Maar het dagelijs：leven vereist complexere vaardigheden: een sleutel omdraaien, een fles vasthouden of een beker oppakken. Deze handelingen vereisen een delicate, gecoördineerde dans van vele spieren, een niveau van controle dat standaard hersenleesinstrumenten moeite hebben gehad om te vangen. De uitdaging ligt in het feit dat denken aan een beweging niet hetzelfde is als het uitvoeren ervan; het signaal van de hersenen is vaak te zwak of te chaotisch om een specifieke handeling van een andere te onderscheiden zonder dat de persoon daadwerkelijk zijn hand beweegt.
Om dit op te lossen, richtte een team van onderzoekers in Singapore en Zwitserland zich op een techniek genaamd transcraniële magnetische stimulatie. In plaats van alleen naar de hersenen te luisteren, gebruikten ze een krachtige magnetische spoel die op de hoofdhuid werd geplaatst om de motorische cortex, het bewegingscentrum van de hersenen, zachtjes aan te tikken. Deze tik stuurt een kleine elektrische rimpeling naar het ruggenmerg naar de handspieren, wat een kleine, meetbare samentrekking veroorzaakt die bekend staat als een motorisch geëvoceerd potentiaal. Door deze samentrekkingen te meten, konden de onderzoekers precies zien hoe de hersenen zich voorbereidden op een beweging. Ze combineerden dit met neurofeedback, een systeem dat de gebruiker in realtime laat zien wat hun hersenen doen, waardoor zij kunnen leren die signalen te beheersen. Het doel was om te zien of gezonde mensen konden leren om drie verschillende, complexe handelingen mentaal te simuleren en of zij dit met genoeg precisie konden doen om nuttig te zijn voor toekomstige revalidatie.
De studie omvatte twaalf gezonde volwassenen die een reeks trainingssessies ondergingen over een periode van twee weken. In de eerste sessie voerden de deelnemers drie specifieke handelingen fysiek uit: een fles vasthouden, een sleutel omdraaien en een hand openen. De onderzoekers registreerden de elektrische respons van de hersenen op deze echte bewegingen om een unieke "vingerafdruk" voor elke handeling te creëren. In de daaropvolgende drie sessies werd de deelnemers gevraagd om deze zelfde handelingen te verbeelden zonder hun handen daadwerkelijk te bewegen. Tijdens deze imaginatie-pogingen tikte de magnetische spoel hun hersenen aan, en de resulterende spiersamentrekkingen werden gemeten. Een computerprogramma analyseerde deze signalen en vertelde de deelnemers onmiddellijk of zij de juiste handeling succesvol hadden verbeeld; als dat zo was, ontvingen zij een positieve visuele aanwijzing; als dat niet zo was, zagen zij een weergave van hoe hun hersenactiviteit vergeleken werd met het doel, zodat zij hun mentale strategie konden aanpassen.
De resultaten toonden aan dat de aanpak werkte. Na slechts drie trainingssessies konden de deelnemers hun hersenactiviteit moduleren om onderscheidende patronen voor elk van de drie handelingen te produceren. De computer kon het verschil zien tussen het voorstellen van het vasthouden van een fles, het omdraaien van een sleutel en het openen van een hand met een nauwkeurigheid die aanzienlijk beter was dan willekeurig gokken. De deelnemers verbeterden in de loop van de tijd, wat suggereert dat de feedback hielp hen om hun mentale focus te verfijnen. Echter, de studie onthulde ook een beperking: deze verbeterde controle leek afhankelijk te zijn van de aanwezigheid van de feedback. Wanneer de deelnemers de handelingen verbeelden zonder de visuele gids, bleef hun prestatie niet even goed standhouden, wat erop wijst dat het leren nog niet volledig automatisch of onafhankelijk van het systeem was geworden.
Een cruciaal onderdeel van het onderzoek was het testen of de hersensignalen van een echte beweging gebruikt konden worden om de hersenen te trainen om diezelfde beweging te verbeelden. Dit is een vitale vraag voor het helpen van mensen die een beroerte hebben overleefd, die vaak niet in staat zijn hun aangedane hand te bewegen om een referentiesignaal te geven. De onderzoekers ontdekten dat ze de hersensignalen van de gezonde hand konden gebruiken om het systeem te trainen, en dat het erin slaagde de verbeelde bewegingen van de andere hand te decoderen. Bovendien ontdekten ze dat het trainen van een computermodel met gegevens van de specifieke persoon die getest werd, veel effectiever was dan het gebruik van gegevens van andere mensen. Dit suggereert dat hoewel het systeem tussen verschillende individuen kan werken, het het beste werkt wanneer het is afgestemd op de unieke hersensignatuur van de gebruiker.
De studie concludeert dat het mogelijk is om de hersenen te trainen om onderscheid te maken tussen complexe, functionele handelingen met behulp van deze magnetische feedbackmethode. Hoewel de deelnemers gezond waren en de trainingsperiode kort was, bieden de bevindingen een veelbelovend pad voor neurorevalidatie. Als deze techniek kan worden aangepast voor mensen met ernstige motorische beperkingen, zou het hen in staat stellen hun hersenen te hertrainen met de signalen van hun minder aangedane hand, wat potentieel de mogelijkheid kan herstellen om de complexe handbewegingen uit te voeren die nodig zijn voor het dagelijks leven. Het onderzoek beweert niet het probleem van verlamming te hebben opgelost, maar het demonstreert een duidelijke, haalbare stap naar een toekomst waarin de geest de herstel van de hand kan leiden.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.