Hvordan påvirker smerte ytelsen til hjernedata-basert grensesnitt (BCI)?

I eksperimenter som involverer fNIRS (functional near-infrared spectroscopy) for å studere hjernens respons på smerte, er det viktig å vurdere hvordan subjektive smerteopplevelser kan påvirke hjernens aktivitet, samt hvordan denne aktiviteten kan tolkes og analyseres ved hjelp av avanserte klassifiseringsmetoder. For å måle smerteopplevelser i slike studier ble tærskelen for smerte og smertetoleranse målt individuelt for hver deltaker før eksperimentet startet. Dette ble gjort ved å gradvis øke temperaturen på en termode fra en baseline på 32°C, og deltakerne ble bedt om å trykke på en knapp når de begynte å oppleve smerte, samt når smerten ble uutholdelig. Tærskelen og toleransen ble beregnet som gjennomsnittet av åtte prøver, og smertetemperaturen under eksperimentet ble deretter satt til et tilfeldig tall i området mellom gjennomsnittsverdien minus 1 og pluss 1.

En viktig del av databehandlingen er klassifiseringen av de ulike mentale oppgavene som ble presentert for deltakerne, både under smertefrie forhold og under smerte. I dette eksperimentet ble to forskjellige oppgaver brukt: subtraksjon og baklengs telling. For å analysere dataene ble både klassiske og dyplærende algoritmer brukt, hvor Support Vector Machine (SVM) og Convolutional Neural Networks (CNN) ble testet. SVM, en tradisjonell maskinlæringsmetode, ble brukt til å skille mellom ulike mentale oppgaver basert på fNIRS-signaler. Denne metoden modellerer et hyperplan basert på merkelige treningsdata og skiller de forskjellige klassene ved å bruke en kjernefunksjon for å gjøre dataene lineært separerbare i høyere dimensjonale rom.

En viktig detalj i bruken av SVM i slike eksperimenter er valget av kjerner. Kjernefunksjonen (som i dette tilfellet var en kvadratisk kjerne) er avgjørende for å oppnå gode resultater i klassifiseringen, ettersom den hjelper med å transformere dataene til et høyere dimensjonalt rom der klassene blir separerbare. Valg av kjernefunksjon påvirker hastigheten på prosesseringen og nøyaktigheten i klassifiseringen. Til tross for at mer komplekse kjerner som Gaussian eller Radial Basis Function (RBF) kunne brukes, ble den kvadratiske kjernen valgt som et kompromiss mellom nøyaktighet og prosesseringshastighet.

Videre ble effekten av smerte på klassifiseringen studert under forskjellige scenarier. I det første scenariet ble SVM-treneren og testen utført med smertefrie data, mens det i det andre scenariet ble trent på smertefrie data og testet med data samlet under smertefulle forhold. Det ble deretter utført ytterligere eksperimenter ved å trene og teste modellen på smertefulle data under forskjellige forhold. Dette ga innsikt i hvordan tilstedeværelsen av smerte kan påvirke nøyaktigheten og ytelsen til fNIRS-baserte BCI-er.

For leseren som ønsker å forstå de dypere implikasjonene av slike eksperimenter, er det viktig å merke seg at de subjektive opplevelsene av smerte kan variere sterkt mellom individer, og at denne variasjonen kan føre til betydelig forskjellig hjerneaktivitet under eksperimentelle forhold. Dette skaper utfordringer når det gjelder å utvikle pålitelige BCI-systemer som kan brukes i praksis, spesielt i assistansesystemer for personer med fysiske eller kognitive utfordringer. Den nøyaktige kalibreringen og tilpasningen av systemene til den enkelte deltaker er avgjørende for at slike systemer skal være effektive. Samtidig er det viktig å forstå at mens teknologien utvikler seg raskt, er det fortsatt mange faktorer som kan påvirke resultatene i slike studier, fra deltakerens emosjonelle tilstand til tekniske utfordringer som kan oppstå under datainnsamling.

Er det mulig å bruke auditive systemer for ikke-invasiv overvåking av intrakranielt trykk?

Andre invasive metoder for ICP-overvåking omfatter subaraknoid bolt, epidural transdusere og subdural kateter, som har vist seg å være mindre nøyaktige og sjelden brukes i klinisk praksis på grunn av feilmålene som kan oppstå i disse metodene (Bruder et al., 1995; Poca et al., 2007). Lumbalpunktering, en annen invasiv metode, har blitt mye brukt for å få indirekte målinger av ICP ved å sette en nål i spinalkanalens subaraknoidale rom. Denne metoden er imidlertid også mindre nøyaktig enn de mest standardiserte metodene og kan ikke gi et pålitelig mål for trykk på grunn av ujevn fordeling av cerebrospinalvæsken (CSF) og trykkgradienter mellom det intrakranielle og spinalt CSF (Cartwright & Igbaseimokumo, 2015; Frič & Eide, 2015).

Selv om invasive metoder er standard i klinisk praksis, har forskningen de siste tiårene også sett på ikke-invasive teknikker som kan være fordelaktige både for pasientene og helsepersonell. Transkraniell Doppler-ultralydundersøkelse (TCD) er en av disse metodene, som benytter høyfrekvente lydbølger for å måle cerebral blodstrøms hastighet, og har blitt foreslått som en mulig måte å estimere ICP på. Selv om flere studier har vist at TCD kan være klinisk nyttig, er den praktiske anvendelsen begrenset på grunn av den høye avhengigheten av operatørens ferdigheter og andre faktorer som kan påvirke blodstrømmen (Cardim et al., 2017).

En annen lovende ikke-invasiv metode er måling av diameteren på synsnervens skjede (ONSD). Økt trykk i cerebrospinalvæsken kan føre til utvidelse av denne skjeden, og diameteren kan måles ved hjelp av ultralyd, datatomografi (CT) eller magnetisk resonansavbildning (MR). Denne metoden har imidlertid den utfordringen at det er vanskelig å fastsette et optimalt grenseverdi for ONSD som indikerer forhøyet ICP, og metoden er i dag ikke standardisert (Kerscher et al., 2020).

Videre finnes det avanserte hjernebildeteknikker som MR-avbildning for å vurdere CSF og blodstrøm, og som kan brukes til å beregne intrakranial elastisitet, en parameter som indirekte estimerer ICP. Selv om denne metoden kan gi pålitelige estimater, er den lite praktisk i akutte situasjoner og er begrenset til korttidsvurdering. De høye kostnadene knyttet til MR er også en hindring for bred klinisk bruk.

En annen nyere tilnærming som har fått økt oppmerksomhet, er bruken av det auditive systemet for ikke-invasiv måling av ICP. Denne metoden har sin opprinnelse i et eksperiment utført av Ahlen i 1947, som påviste at trykk i hodeskallen kan overføres til det indre øret via cochlear aqueduct, et benrør som forbinder subaraknoidrommet med perilymfen i cochlea. Denne trykkbølgen kan føre til bevegelse av stapes i det midtre øret, som deretter kan måles. Bevegelsen av stapes og endringene i mellomørets komplians kan gi indirekte målinger av intrakranielt trykk, og flere studier har bekreftet en korrelasjon mellom tympaniske membranbevegelser og ICP (Shimbles et al., 2005).

Slik metodikk kan potensielt tilby en praktisk og billig løsning for kontinuerlig overvåkning av ICP i pasienter, spesielt i akutte og kritiske situasjoner hvor andre metoder er upraktiske eller utilgjengelige.

Hvordan kan tympanometri og spontane tympaniske membranpulsasjoner brukes til å overvåke intrakranielt trykk (ICP)?

I flere eksperimenter ble spontane tympaniske membranpulsasjoner målt mens forsøkspersoner ble plassert på et vippestativ, og deres hodetilt ble justert for å simulere forskjellige ICP-nivåer. Forskerne observerte at ved høyere ICP, spesielt ved hodet-vendt-ned posisjon (HDT), ble det en markant endring i bølgeformene av tympaniske membranpulsasjoner. Dette inkluderte en reduksjon av høyfrekvente topper i signalene og en endring i signalets stigning, hvor rask stigning og langsom avtagning i HUT (hodet opp-tilt) ble erstattet av en langsom stigning og rask avtagning i HDT. Dette mønsteret ble bekreftet gjennom analyse av energiforhold og skråningsforhold, som viste en betydelig reduksjon ved høyt ICP.

Denne endringen i bølgeformene har stor klinisk betydning. Spontane tympaniske membranpulsasjoner (spTMD) kan være et effektivt alternativ til evokert TMD i situasjoner der pasienten er under påvirkning av muskelavslappende midler eller sedasjon, som ellers kan gjøre den stapediale muskelen uresponsiv på stimuli. I tillegg er det mulig å oppdage disse endringene i et miljø hvor ekstern stimulering kanskje ikke er gjennomførbar eller ønskelig, som i noen pasientgrupper.

Men, for å kunne bruke spTMD på en klinisk skala, er det viktig å være klar over noen utfordringer. For det første er signalene svært følsomme for støy, og det kreves en høy grad av presisjon i målingene for å skille mellom normale og unormale verdier. Variabiliteten mellom individer er også stor, noe som betyr at en enkel måling av amplituden kanskje ikke er tilstrekkelig for å trekke pålitelige konklusjoner om ICP. Det er også nødvendig med videre forskning for å finne måter å standardisere og validere metoden på, spesielt når det gjelder hvordan signalene kan måles og tolkes i ulike kliniske settinger.

Disse metodene, både spontane tympaniske membranpulsasjoner og tympanometri, gir derfor et spennende perspektiv på ikke-invasive teknikker for ICP-overvåking. Spesielt når det ikke er mulig å bruke mer invasive metoder, som direkte trykkmålinger i hjernekammeret, kan disse tilnærmingene bidra til å gi en tidlig indikasjon på farlige endringer i intrakranielt trykk.

For å optimalisere bruken av slike metoder i klinisk praksis, er det avgjørende å gjennomføre ytterligere studier for å forbedre nøyaktigheten og påliteligheten av disse teknikkene, samt for å utvikle en mer robust forståelse av hvordan ulike fysiologiske faktorer påvirker målingene. Dette kan inkludere faktorer som pasientens alder, helsetilstand, og om det er andre medisinske forhold som kan påvirke mellomørets respons på trykk.