Paradygmat wyobraźni wizualnej dla strategii BCI z wykorzystaniem wyobrażonych migających wzorców

Wyobrażanie światła, by rozmawiać z maszynami

Dla osób, które nie mogą się poruszać ani mówić, interfejsy mózg–komputer (BCI) oferują sposób komunikacji wykorzystujący jedynie aktywność mózgu. Wiele współczesnych systemów opiera się na wpatrywaniu się w migające światła na ekranie, co dla niektórych pacjentów jest niemożliwe lub niewygodne. W tym badaniu badacze sprawdzają inną ideę: zamiast patrzeć na błyskające wzory, co by było gdyby użytkownicy po prostu je wyobrażali i nadal potrafili sterować komputerem?

Od migających świateł do obrazów mentalnych

Tradycyjne BCI często wykorzystują stałe migające obrazy, by wywołać powtarzalną odpowiedź w częściach wzrokowych mózgu. Gdy osoba wpatruje się w światło migające z ustaloną częstotliwością, aktywność elektryczna mózgu subtelnie odzwierciedla ten rytm, a czujniki na skórze głowy mogą go wykryć. Jednak ta metoda zakłada, że użytkownik potrafi utrzymać wzrok skierowany na ekran. Ludzie z ciężkim porażeniem lub zaburzeniami ruchu oczu, na przykład osoby z zespołem zamknięcia po udarze lub w przebiegu choroby neurodegeneracyjnej, mogą nie być w stanie tego zrobić, co ogranicza grupę osób, które mogą skorzystać z technologii.

Przekształcanie mentalnych migotów w sygnały sterujące

Autorzy opracowali BCI, który zastępuje zewnętrzne migotania ich mentalnymi odpowiednikami. Najpierw 20 zdrowych ochotników oglądało na ekranie wzory szachownicy migające z różną prędkością. Ta początkowa faza pozwoliła ustalić, na które dwie szybkości migotania mózgi poszczególnych osób reagowały najczytelniej. Następnie ochotnicy ćwiczyli mieszany protokół, w którym czasem widzieli migotania, a czasem mieli je wyobrażać. W końcowych testach ekran zaciemniono: jedynie strzałki lub proste kształty na ekranie wskazywały uczestnikom, który z dwóch rytmów mają sobie wyobrazić, albo kiedy mają odpoczywać. Przez cały czas aktywność mózgu rejestrowała siatka 10 elektrod umieszczonych na skórze głowy, którą następnie przetwarzano na podsumowanie zawartości mocy w różnych składnikach rytmicznych.

Nauka maszyny rozpoznawania wyobrażonych wzorców

Aby przekształcić te subtelne rytmy w polecenia, badacze zastosowali standardową metodę rozpoznawania wzorców, która wyznacza granicę między różnymi typami sygnałów. Dla każdego ochotnika program komputerowy był uczony rozróżniać trzy stany mentalne: wyobrażanie wolnego migotania, wyobrażanie szybszego migotania oraz odpoczynek. W fazie „offline” komputer analizował wcześniej nagrane dane i testował, jak dobrze potrafi odgadnąć prawidłowy stan. Później, w fazie „online”, system musiał klasyfikować aktywność mózgu w czasie rzeczywistym, podczas gdy osoba wykonywała zadania mentalne na żywo, co wierniej odzwierciedla praktyczne zastosowanie BCI.

Jak dobrze działał system oparty na wyobraźni

Po zbadaniu danych offline system poprawnie rozpoznawał stan mentalny użytkownika średnio w około 61 procentach przypadków wśród 20 uczestników. W zadaniu z trzema opcjami losowe zgadywanie dawałoby około jednej trzeciej trafień, więc ten wynik jest wyraźnie powyżej poziomu przypadku. W testach online na żywo dokładność spadła do około 51 procent średnio, ale wciąż była istotnie lepsza niż przypadkowe odgadywanie dla całej grupy. Niektórzy uczestnicy radzili sobie bardzo dobrze, podczas gdy u kilku wynik zbliżał się do losowego, co odzwierciedla naturalne różnice w łatwości utrzymania żywych wyobrażeń wzrokowych i stałej uwagi. Istotne było też dobranie częstotliwości migotania, lecz próby automatycznego wyboru „najlepszej” pary częstotliwości dla każdej osoby przyniosły mieszane korzyści, sugerując, że ten etap wymaga dalszych usprawnień.

Co to może znaczyć dla przyszłych użytkowników

Badanie pokazuje, że samo wyobrażanie migających wzorców może dostarczyć użytecznego sygnału sterującego dla interfejsów mózg–komputer, bez konieczności wpatrywania się w jaskrawe, migające obrazy. Chociaż system obecnie oferuje tylko trzy wybory i działa z umiarkowaną dokładnością, wymaga niewielkiego szkolenia i korzysta ze standardowego, dostępnego sprzętu. Przy dalszym rozwoju — na przykład poprzez ulepszenie sposobu wyboru najlepszych częstotliwości i dodanie większej liczby poleceń mentalnych — tego typu BCI oparte na wyobraźni mogłoby stać się praktyczną opcją dla osób, które nie mogą dobrze poruszać oczami lub tolerować stymulacji wzrokowej, otwierając kolejną drogę do komunikacji i sterowania przy użyciu jedynie umysłowego oka.

Cytowanie: Priori, S., Ricci, P., Consoli, D. et al. A visual imagery paradigm for BCI strategies using imagined flickering patterns. Sci Rep 16, 11967 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41324-6

Słowa kluczowe: interfejs mózg-komputer, wyobraźnia wzrokowa, EEG, neurorehabilitacja, komunikacja wspomagająca