基于隐马尔可夫模型的皮质内脑机接口光标控制的长期无监督再校准

Long-term unsupervised recalibration of cursor-based intracortical brain-computer interfaces using a hidden Markov model

作者信息Guy H Wilson, Elias A Stein, Foram Kamdar, Donald T Avansino, Tsam Kiu Pun, Ronnie Gross, Tommy Hosman, Tyler Singer-Clark, Anastasia Kapitonava, Leigh R Hochberg, John D Simeral, Krishna V Shenoy, Shaul Druckmann, Jaimie M Henderson, Francis R Willett
PMID41361599
发布时间2026-07
DOI10.1038/s41551-025-01536-z

实验完整度

包含大规模闭环模拟、人类参与者闭环实验和跨五年离线数据集分析,涵盖体外模拟和人体验证。

主要模型

人类皮质内脑机接口参与者T5 人类皮质内脑机接口参与者T11 闭环仿真环境(基于分段线性模型)

重点核对

T5的73次记录会话(2016-2021) T11的3次个人使用会话(第665、672、702天) 解码器类型:线性回归、因子分析子空间解码器、固定RNN解码器 脑机接口阵列:两个96通道硅微电极阵列(Blackrock Neurotech) 再校准间隔:每月、每天

摘要

Intracortical brain-computer interfaces (iBCIs) require frequent recalibration to maintain robust performance due to changes in neural activity that accumulate over time, which result in periods when users cannot use their device. Here we introduce a hidden Markov model to infer which targets users are moving towards during iBCI use and we retrain the system using these inferred targets, enabling unsupervised adaptation to changing neural activity. Our approach outperforms distribution alignment methods in large-scale, closed-loop simulations over two months, as well as in a closed loop with a human iBCI user over one month. Leveraging an offline dataset spanning five years of iBCI recordings, we show how target inference recalibration methods appear capable of long-term unsupervised recalibration, whereas recently proposed data-distribution-matching approaches appear to accumulate compounding errors over time. We show offline that our approach performs well on freeform datasets of a person using a home computer with an iBCI. Our results demonstrate the use of task structure to bootstrap a noisy decoder into a highly performant one, thereby overcoming one of the major barriers to clinically translating BCIs.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
如何长期无监督地再校准皮质内脑机接口解码器,以应对神经信号的非平稳性?
核心机制
利用隐马尔可夫模型推断用户的目标,以生成伪标签并加权重训练解码器,从而实现无监督的自适应。
主要证据
闭环模拟、T5和T11的离线数据以及T5的在线一个月闭环实验均显示PRI-T能有效维持解码性能。
研究意义
该方法减少了对频繁监督再校准的需求,有助于皮质内脑机接口的临床转化。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

神经非平稳性分析

表征长期记录中神经信号的漂移及其对解码性能的影响。

分析了T5五年间73次会话的神经信号,通过余弦调谐模型和离线解码评估基线移位和偏好方向变化。

2

离线成对会话评估

比较不同再校准方法在跨日成对会话上的性能。

使用T5的历史数据,对每个会话对应用监督再校准、均值再校准、FA稳定化、ADAN和PRI-T方法,评估解码输出与真实位移的相关性。

3

闭环模拟实验

在受控的模拟环境中评估再校准方法长期效果。

使用闭环模拟器,模拟两个月内编码子空间漂移,比较不同再校准策略的平均试次时间。

4

人类参与者在线闭环验证

评估PRI-T在真实人类用户中的长期性能。

T5在28天内进行随机目标任务,每日使用PRI-T、FA稳定化和固定解码器进行再校准,记录平均试次时间。

5

个人使用数据离线评估

评估PRI-T在非结构化的个人使用场景中的数据效率。

使用T11的个人使用数据(如电子邮件、网页浏览),用PRI-T和RTI再校准解码器,并在测试块上评估性能。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
96通道硅微电极阵列Blackrock Neurotech--
线性解码器----
PyQtGraph----
SciPy----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
神经信号预处理
尖峰阈值:-4.5倍均方根(T5)和-3.5倍均方根(T11);分箱:20毫秒非重叠;平滑:半高斯滤波器σ=40毫秒(T5)或σ=120毫秒(T11);T11使用12秒滑动窗口进行z-score标准化
阅读提示:参见方法部分‘Experimental setup and neural recordings’、‘Neural signal preprocessing’
解码器训练
训练数据:开环块时长(约200秒)和闭环块时长(约400秒);解码器类型:线性回归、因子分析子空间(6维)
阅读提示:参见方法部分‘Closed-loop evaluation’、‘Initial day’
再校准算法
PRI-T的超参数:网格大小20x20,ε=0.999,κ0,β,d0通过网格搜索;RTI的lookback窗口;FA稳定化的通道选择阈值(threshold=0.01)和稳定通道数(B=100)
阅读提示:参见方法部分‘PRI-T’、‘RTI’、‘FA stabilization’
闭环控制任务
目标大小:固定或可变;目标停留时间:500毫秒;试次超时:10秒;增益β:通过扫描0.1-2.5确定最优
阅读提示:参见方法部分‘Closed-loop evaluation’
统计比较
统计检验:双尾Wilcoxon秩和检验或符号秩检验;显著性水平:文中未明确说明(通常为0.05)
阅读提示:参见方法部分‘Closed-loop evaluation’