Brain computer interfaces for brain acquired damage

Abstract

El terme Interfície Cervell-Ordinador (ICC), va sorgir als anys 70 pel Dr. Jacques J. Vidal, que mitjançant l’ús de l’electroencefalografia (EEG) fou el primer a intentar proporcionar una sortida alternativa als senyals cerebrals per controlar un dispositiu extern. L’objectiu principal d’aquesta fita era ajudar als pacients amb problemes de moviment i comunicació a relacionar-se amb el seu entorn.

Des de llavors, molts neurocientífics han emprat aquesta idea i han intentat posar-la en pràctica utilitzant diferents mètodes d’adquisició i processament del senyal, nous dispositius d’interacció, noves metes i objectius. Tot això ha facilitat l’aplicació d’aquesta tecnologia en moltes àrees, i actualment les ICC s’utilitzen per jugar a videojocs, moure cadires de rodes, facilitar l’escriptura en persones sense mobilitat, definir criteris i preferències en el món del comerç i el consum, o inclús poden servir com a detector de mentides.

Tot i així, el sector que presenta un major avenç en el desenvolupament de les ICC, és el sector biomèdic. A grans trets, podem utilitzar les ICC amb dues finalitats diferents dins de la neurorehabilitació; substituint una funció perduda o induint canvis en la plasticitat neuronal amb l’objectiu de restaurar o compensar la funció perduda.

Existeixen diferents principis per al registre dels senyals del cervell; de manera invasiva, col·locant els elèctrodes de registre dintre de la cavitat cranial, o de manera no invasiva, col·locant els elèctrodes de registre fora de la cavitat cranial. El mètode més conegut i difós és l’EEG. El seu ús és molt adequat en entorns clínics, té una resolució temporal molt precisa i és possible obtenir una retroalimentació en temps real que pot induir la plasticitat cortical i el restabliment de la funció motora normal.

En aquesta tesi presentem tres objectius diferents: (1) avaluar els afectes clínics de la rehabilitació mitjançant les ICC en pacients amb ictus, ja sigui realitzant un meta-anàlisi dels estudis publicats o avaluant els canvis funcionals dels pacients amb ictus després de la teràpia d’ICC; (2) explorar paràmetres alternatius per quantificar els efectes de les ICC en pacients amb ictus, avaluant diferents biomarcadors de l’EEG en pacients amb aquesta patologia i correlacionant aquests marcadors amb els resultats de les escales funcionals; (3) optimitzar el sistema ICC mitjançant la gamificació d’un avatar.

El término Interfaz Cerebro-Computadora (ICC) surgió en los años 70 por el Dr. Jacques J. Vidal, que mediante el uso de la electroencefalografía (EEG) trató de dar una salida alternativa a las señales del cerebro para controlar un dispositivo externo. El objetivo principal de esta hazaña era ayudar a los pacientes con problemas de movimiento o comunicación a relacionarse con el entorno.

Desde entonces, muchos neurocientíficos han utilizado esta idea y han tratado de ponerla en práctica utilizando diferentes métodos de adquisición y procesamiento de señales, nuevos dispositivos de interacción y nuevas metas y objetivos. Todo ello ha facilitado la aplicación de esta tecnología en muchas áreas y actualmente las ICC se utilizan para jugar a videojuegos, mover sillas de ruedas, facilitar la escritura en personas sin movilidad, establecer criterios y preferencias de compra en el mundo del comercio y el consumo, o incluso pueden servir como detector de mentiras.

Sin embargo, el sector que presenta un mayor avance y desarrollo de las ICC es el sector biomédico. A grandes rasgos podemos utilizar las ICC con dos finalidades distintas dentro de la neurorehabilitación; sustituir una función perdida o inducir cambios en la plasticidad neuronal con el objetivo de restaurar o compensar dicha función perdida.

Hay diferentes principios para el registro de las señales del cerebro; de forma invasiva, colocando los electrodos de registro dentro de la cavidad craneal, o no invasiva, colocando los electrodos de registro fuera de la cavidad craneal. El método más conocido y difundido es la EEG. Su uso es adecuado para entornos clínicos, tiene una resolución temporal muy precisa y su retroalimentación en tiempo real puede inducir la plasticidad cortical y el restablecimiento de la función motora normal.

En esta tesis presentamos tres objetivos diferentes: (1) evaluar los efectos clínicos de la rehabilitación mediante las ICC en pacientes con ictus, ya sea realizando un meta-análisis de los estudios publicados o evaluando los cambios funcionales en los pacientes con ictus después de la terapia de ICC; (2) explorar parámetros alternativos para cuantificar los efectos de las ICC en pacientes con ictus, evaluando diferentes biomarcadores de electroencefalografía en pacientes con esta patología y correlacionando los posibles cambios en estos parámetros con los resultados en las escalas funcionales; (3) optimizar el sistema ICC utilizando mediante la gamificación de un avatar.

The term Brain Computer Interface (BCI) emerged in the 70's by Dr. Jacques J Vidal, who by using electroencephalography (EEG) tried to give an alternative output to the brain signals in order to control an external device. The main objective of this feat was to help patients with impaired movement or communication to relate themselves to the environment.

Since then many neuroscientists have used this idea and have tried to implement it using different methods of signal acquisition and processing, new interaction devices, new goals and objectives. All this has facilitated the implementation of this technology in many areas and currently BCI is used to play video games, move wheelchairs, facilitate writing in people without mobility, establish criteria and purchase preferences in the world of marketing and consumption, or even serve as a lie detector.

However, the sector that presents the most marked progress and development of BCI is the biomedical sector. In rough outlines we can use BCI with two different purposes within the neurorehabilitation; to substitute a lost function or to induce neural plasticity changes with the aim to restore or compensate the lost function.

To restore a lost function by inducing neuroplastic changes in the brain is undoubtedly a challenging strategy but a feasible goal through BCI technology. This type of intervention requires that the patient invests time and effort in a therapy based on the practice of motor image and feedback mechanisms in real time.

There are different principles to record the brain signals; invasively, placing the recording electrodes inside the cranial cavity, or non-invasive, placing the recording electrodes outside of the cranial cavity. The best known and most widespread one is EEG, since they are suitable for clinical environments, have a highly accurate temporal resolution and their real-time feedback can induce cortical plasticity and the restoration of normal motor function.

On this thesis we present three different objectives: (1) to evaluate the clinical effects of rehabilitation based on BCI system in stroke patients, either by performing a meta-analysis of published studies or by evaluating functional changes in stroke patients after BCI training; (2) to explore alternative parameters to quantify effects of BCI in stroke patients, by evaluating different electroencephalography biomarkers in stroke patients and correlating potential changes in these parameters with functional scales; (3) to optimize the BCI system by using a new gamified avatar.