Neurophysiological foundations and practical realizations of the brain–machine interfaces in the technology in neurological rehabilitation

Abstract

The brain-computer interface (BCI) technology, based on the registration and interpretation of EEG, has recently become one of the most popular developments in neuroscience and psychophysiology. This is due not only to the intended future use of these technologies in many areas of practical human activity, but also to the fact that BCI is a completely new paradigm in psychophysiology, which allows testing hypoth eses about the possibilities of the human brain to the development of skills of interaction with the outside world without the mediation of the motor system, i.e., only with the help of voluntary modulation of EEG generators. This paper examines the theoretical and experimental basis, the current state, and the prospects of development of training, communicational, and assisting complexes based on BCI to control them without muscular effort on the basis of decoding mental commands detected in the EEG of patients with severely impaired speech and motor system.

Investigation of Characteristics of a Motor-Imagery Brain–Computer Interface with Quick-Response Tactile Feedback

“…Однако эффективность такого идеомоторного тренинга может быть далеко не полной из-за отсутствия объективного контроля со стороны пациента за яркостью и интенсивностью своих мысленных представлений движения в силу их субъективной природы. В этой связи особенно перспективными становятся реабилитаци-онные подходы, поддерживающие идеомоторную тренировку посредством технологии интерфейсов мозг-компьютер (ИМК) [7,8]. Эта технология позволяет электронно-вычислительными средствами детектировать проявление мысленных представлений движения в специфических изменениях характеристик отрезков электроэнцефалограммы (ЭЭГ), например, в виде десинхронизации сенсомоторного ритма, и в реальном времени трансформировать их в сигналы обратной связи (ОС) для пациента.…”

“…В настоящее время при создании ИМК в помощь постинсультным пациентам наибольшее распространение получила визуальная ОС, когда пациент наблюдает результат каждой своей попытки представления движения в виде трансформирующихся экранных объектов или срабатывающих внешних исполнительных устройств, например, экзоскелетов кисти [7,8]. Однако при всей своей высокой информативности, зрительная ОС требует в ходе тренировки непрерывного фокусирования взора на объекте ОС, что в некоторых случаях просто невозможно для пациентов.…”

Exoskeleton Control System Based on Motor-Imaginary Brain–Computer Interface

“…Today, one of the fastest growing areas of medical technology is development and manufacturing of neuro-integrated devices based on brain-computer interface (BCI) technology combined with the use of robots (orthoses, exoskeletons) for neurorehabilitation purposes [1,2]. The impetus for this growth was the discovery of training-induced plastic changes in the functional topography of the primary motor cortex [3].…”

“…Despite the fact that this BCI type is quite difficult to master compared to resonance frequency and P300 wavebased BCIs, exactly motor imagery BCI is considered to be the most promising for training motor function [1,19,20]. The operating principle of motor imagery based BCI is detecting desynchronization of sensorimotor rhythms in the motor area of the cerebral cortex contralateral to the motor act when the operator elicits motor act imageries such as grasping, moving the fingers and other movements [21].…”

A BCI-based vibrotactile neurofeedback training improves motor cortical excitability during motor imagery

“…It is shown that MI promotes not only ERD but also the enhancement of corticospinal excitability as evaluated from the amplitudes of motor-evoked potentials (MEPs) [45][46][47][48][49] induced by transcranial magnetic stimulation (TMS). TMS is a non-invasive electrophysiological technique that allows studying the excitability of different brain regions [50,51].…”