Brain Computer Interface for cognitive training and domotic

BCI-­‐Ageing: Aplicación de sistemas BCI al entrenamiento cognitivo y al control domótico para prevenir los efectos del envejecimiento PROYECTOS CERO – ENVEJECIMIENTO FUNDACIÓN GENERAL CSIC Brain Computer Interface for cognitive training and domotic assistance against the effects of ageing (BCI-­‐
Ageing) Documentación Resumida Project Leader: Roberto Hornero Sánchez Grupos participantes Grupo de Ingeniería Biomédica – Universidad de Valladolid Cognitive Bioengineering Group – CSIC CRE de Discapacidad y Dependencia de León Fecha: 11 de Noviembre de 2013 1 BCI-­‐Ageing: Aplicación de sistemas BCI al entrenamiento cognitivo y al control domótico para prevenir los efectos del envejecimiento Introducción Desde que, en 1929, Hans Berger aplicó por primera vez la técnica de la electroencefalografía (EEG), se ha especulado sobre su uso para descifrar intenciones, de forma que una persona pueda controlar determinados dispositivos a partir de su actividad cerebral. Así, se define Brain-­‐Computer Interface (BCI), o interfaz cerebro-­‐ordenador, como un sistema de comunicación que monitoriza la actividad cerebral y traduce determinadas características, correspondientes a las intenciones del usuario, en comandos de control de un dispositivo. Los sistemas BCI pueden resultar muy útiles para las personas dependientes de avanzada edad o con grave discapacidad, ya que suponen un nuevo canal de comunicación. El método más empleado en sistemas BCI para registrar la actividad cerebral es el EEG, ya que se trata de una técnica sencilla, no invasiva, portátil y de bajo coste. Los sistemas BCI se pueden clasificar en dos grupos según la naturaleza de la señal de entrada: sistemas BCI endógenos y exógenos. Los sistemas BCI endógenos dependen de la capacidad del usuario para controlar su actividad electrofisiológica, como puede ser la amplitud del EEG en una banda de frecuencia específica sobre un área concreta del córtex cerebral y requieren de un periodo de entrenamiento. Un ejemplo de sistema BCI endógeno son los basados en imágenes motoras, o ritmos sensoriomotores. Por otro lado, los sistemas BCI exógenos dependen de la actividad electrofisiológica evocada por estímulos externos y no necesitan de una etapa intensiva de entrenamiento. Un ejemplo de sistema BCI exógeno son los basados en potenciales evocados P300. A continuación, se describen las principales características de los dos tipos de sistemas BCI que se han empleado en este proyecto: • BCI basado en ritmos sensoriomotores. Se basa en un paradigma de dos o más clases de imágenes motoras u otras tareas mentales. La imaginación de tareas mentales concretas produce cambios en la amplitud de los ritmos µ (8-­‐12 Hz) y ß (16-­‐24 Hz) sobre la zona somatosensorial y motora del córtex cerebral. • BCI basado en potenciales evocados P300. El potencial P300 es un pico de amplitud que aparece aproximadamente 300 ms después de haberse producido un estímulo esperado pero poco frecuente. Habitualmente, dicho estímulo se presenta mezclado entre otros estímulos no esperados y mucho más frecuentes. Así, los estímulos de interés provocan la aparición de este potencial en la actividad cerebral del usuario. Objetivos del proyecto El proyecto “Brain Computer Interface for cognitive training and domotic assistance against the effects of ageing”, financiado por los Proyectos Cero de la Fundación General del CSIC, Obra Social la Caixa y CSIC, pretende desarrollar nuevas aplicaciones mediante sistemas BCI aplicadas a minimizar los efectos del envejecimiento y facilitar la vida diaria de las personas mayores. Se pretende, por un lado, prevenir o minimizar el deterioro cognitivo asociado al envejecimiento y, por otro lado, facilitar el acceso de las personas dependientes a los dispositivos presentes en el hogar. En primer lugar, se propone el desarrollo de una aplicación de entrenamiento cognitivo empleando un sistema BCI basado en ritmos sensoriomotores. Dichos sistemas necesitan 2 BCI-­‐Ageing: Aplicación de sistemas BCI al entrenamiento cognitivo y al control domótico para prevenir los efectos del envejecimiento una etapa intensiva de entrenamiento en la que los usuarios practican la imaginación de diferentes tareas mentales. El objetivo de la aplicación propuesta consiste en utilizar ese tipo de tareas mentales como tareas de entrenamiento cognitivo para las personas mayores. De esta forma, se pretende analizar si la realización de varias sesiones de entrenamiento con la aplicación desarrollada puede favorecer la lentificación del proceso de deterioro cognitivo, e incluso si permite mejorar algunas habilidades cognitivas. En segundo lugar, se propone el desarrollo de una aplicación de control domótico empleando un sistema BCI basado en potenciales P300. Su objetivo es facilitar la interacción de las personas en situación de dependencia con los dispositivos electrónicos presentes en el hogar de forma que puedan llevar una vida más autónoma e independiente. La aplicación permitirá controlar diversos dispositivos electrónicos presentes habitualmente en el hogar, satisfaciendo de esta manera las principales necesidades de los usuarios finales: confort, comunicación y entretenimiento. Así, esta aplicación permitiría aumentar la independencia de estas personas y mejorar su calidad de vida en su entorno habitual. Resultados preliminares: plataforma de entrenamiento cognitivo Dentro del marco del proyecto BCI-­‐Ageing, se ha desarrollado una herramienta de entrenamiento cognitivo que emplea un sistema BCI basado en ritmos sensoriomotores. En la evaluación de dicha aplicación han participado un total de 63 personas mayores de 60 años. El grupo experimental estuvo compuesto por 31 participantes (13 hombres, 18 mujeres, rango edad: 63–81 años), mientras que el grupo de control estuvo formado por 32 personas (9 hombres, 23 mujeres, rango edad: 61–80 años). Los participantes del grupo experimental realizaron 10 sesiones con la aplicación de entrenamiento cognitivo propuesta. El plan de entrenamiento consistió en dos sesiones semanales durante un período de 5 semanas. A lo largo de cada sesión, los participantes realizaron diferentes tareas con las que fueron aprendiendo a modificar su actividad cerebral para mover un cursor en la pantalla del ordenador. De esta forma, se plantearon tareas sencillas a las que los usuarios respondían llevando el cursor hacia la respuesta correcta. Se propusieron tareas de asociación de objetos, de esquivar obstáculos y de memoria. Además, la complejidad de las tareas fue aumentando en cada sesión. 3 BCI-­‐Ageing: Aplicación de sistemas BCI al entrenamiento cognitivo y al control domótico para prevenir los efectos del envejecimiento Para evaluar la efectividad de la aplicación desarrollada y del programa de entrenamiento cognitivo propuesto, se empleó el test de diagnóstico neuropsicológico para adultos de Luria. Mediante dicho test se han analizado 9 características correspondientes a 5 áreas: visoespacial, lenguaje oral, memoria, inteligencia y atención. Todos los participantes del estudio realizaron este test en dos ocasiones: antes de comenzar el plan de entrenamiento y una vez finalizado el mismo. Se ha comprobado que las puntuaciones previas del test presentaban la misma distribución para el grupo experimental y para el grupo de control. Sin embargo, una vez finalizado el programa de entrenamiento, la distribución de las puntuaciones del test presenta diferencias significativas entre el grupo experimental, que realizó el programa de entrenamiento cognitivo propuesto, y el grupo de control. Además, si se comparan las puntuaciones del test al finalizar las pruebas con las puntuaciones previas entre ambos grupos también aparecen diferencias significativas. En concreto, se ha observado que las puntuaciones de los test mejoran significativamente en los participantes del grupo experimental en los aspectos relativos a percepción visual, habla expresiva, memoria inmediata y dibujos temáticos. Resultados preliminares: plataforma de control domótico Dentro del marco del proyecto BCI-­‐Ageing, se ha desarrollado una herramienta de control de dispositivos electrónicos que emplea un sistema BCI basado en potenciales P300. Dicha aplicación permite que personas dependientes puedan manejar, a partir de su actividad cerebral, diferentes dispositivos de su entorno habitual. En concreto, la aplicación permite controlar ocho dispositivos del hogar: TV, reproductor de DVD, minicadena de música, disco multimedia, teléfono, luces, ventilador y calefactor. Actualmente se están llevando a cabo las pruebas de evaluación de esta aplicación. Para ello, participarán un total de 30 usuarios del CRE de Discapacidad y Dependencia de San Andrés del Rabanedo (León). Por tanto, serán usuarios potenciales reales, es decir, personas con grave discapacidad, quienes evalúen la utilidad de la herramienta propuesta. Los resultados preliminares obtenidos hasta el momento son muy satisfactorios ya que los participantes han sido capaces de controlar la aplicación con gran facilidad, aumentando así su autonomía personal y mejorando su calidad de vida. 4