Robot Learning and Control Using Error-Related Cognitive Brain Signals

Durante los últimos años, el campo de los interfaces cerebro-máquina (BMIs en inglés) ha demostrado cómo humanos y animales son capaces de controlar dispositivos neuroprotésicos directamente de la modulación voluntaria de sus señales cerebrales, tanto en aproximaciones invasivas como no invasivas. Todos estos BMIs comparten un paradigma común, donde el usuario trasmite información relacionada con el control de la neuroprótesis. Esta información se recoge de la actividad cerebral del usuario, para luego ser traducida en comandos de control para el dispositivo. Cuando el dispositivo recibe y ejecuta la orden, el usuario recibe una retroalimentación del rendimiento del sistema, cerrando de esta manera el bucle entre usuario y dispositivo. La mayoría de los BMIs decodifican parámetros de control de áreas corticales para generar la secuencia de movimientos para la neuroprótesis. Esta aproximación simula al control motor típico, dado que enlaza la actividad neural con el comportamiento o la ejecución motora. La ejecución motora, sin embargo, es el resultado de la actividad combinada del córtex cerebral, áreas subcorticales y la médula espinal. De hecho, numerosos movimientos complejos, desde la manipulación a andar, se tratan principalmente al nivel de la médula espinal, mientras que las áreas corticales simplemente proveen el punto del espacio a alcanzar y el momento de inicio del movimiento. Esta tesis propone un paradigma BMI alternativo que trata de emular el rol de los niveles subcorticales durante el control motor. El paradigma se basa en señales cerebrales que transportan información cognitiva asociada con procesos de toma de decisiones en movimientos orientados a un objetivo, y cuya implementación de bajo nivel se maneja en niveles subcorticales. A lo largo de la tesis, se presenta el primer paso hacia el desarrollo de este paradigma centrándose en una señal cognitiva específica relacionada con el procesamiento de errores humano: los potenciales de error (ErrPs) medibles mediante electroencefalograma (EEG). En esta propuesta de paradigma, la neuroprótesis ejecuta activamente una tarea de alcance mientras el usuario simplemente monitoriza el rendimiento del dispositivo mediante la evaluación de la calidad de las acciones ejecutadas por el dispositivo. Estas evaluaciones se traducen (gracias a los ErrPs) en retroalimentación para el dispositivo, el cual las usa en un contexto de aprendizaje por refuerzo para mejorar su comportamiento. Esta tesis demuestra por primera vez este paradigma BMI de enseñanza con doce sujetos en tres experimentos en bucle cerrado concluyendo con la operación de un manipulador robótico real. Como la mayoría de BMIs, el paradigma propuesto requiere una etapa de calibración específica para cada sujeto y tarea. Esta fase, un proceso que requiere mucho tiempo y extenuante para el usuario, dificulta la distribución de los BMIs a aplicaciones fuera del laboratorio. En el caso particular del paradigma propuesto, una fase de calibración para cada tarea es altamente impráctico ya que el tiempo necesario para esta fase se suma al tiempo de aprendizaje de la tarea, retrasando sustancialmente el control final del dispositivo. Así, sería conveniente poder entrenar clasificadores capaces de funcionar independientemente de la tarea de aprendizaje que se esté ejecutando. Esta tesis analiza desde un punto de vista electrofisiológico cómo los potenciales se ven afectados por diferentes tareas ejecutadas por el dispositivo, mostrando cambios principalmente en la latencia la señal; y estudia cómo transferir el clasificador entre tareas de dos maneras: primero, aplicando clasificadores adaptativos del estado del arte, y segundo corrigiendo la latencia entre las señales de dos tareas para poder generalizar entre ambas. Otro reto importante bajo este paradigma viene del tiempo necesario para aprender la tarea. Debido al bajo ratio de información transferida por minuto del BMI, el sistema tiene una pobre escalabilidad: el tiempo de aprendizaje crece exponencialmente con el tamaño del espacio de aprendizaje, y por tanto resulta impráctico obtener el comportamiento motor óptimo mediante aprendizaje por refuerzo. Sin embargo, este problema puede resolverse explotando la estructura de la tarea de aprendizaje. Por ejemplo, si el número de posiciones a alcanzar es discreto se puede pre-calcular la política óptima para cada posible posición. En esta tesis, se muestra cómo se puede usar la estructura de la tarea dentro del paradigma propuesto para reducir enormemente el tiempo de aprendizaje de la tarea (de diez minutos a apenas medio minuto), mejorando enormemente así la escalabilidad del sistema. Finalmente, esta tesis muestra cómo, gracias a las lecciones aprendidas en los descubrimientos anteriores, es posible eliminar completamente la etapa de calibración del paradigma propuesto mediante el aprendizaje no supervisado del clasificador al mismo tiempo que se está ejecutando la tarea. La idea fundamental es calcular un conjunto de clasificadores que sigan las restricciones de la tarea anteriormente usadas, para a continuación seleccionar el mejor clasificador del conjunto. De esta manera, esta tesis presenta un BMI plug-and-play que sigue el paradigma propuesto, aprende la tarea y el clasificador y finalmente alcanza la posición del espacio deseada por el usuario

Co-adaptive control strategies in assistive Brain-Machine Interfaces

A large number of people with severe motor disabilities cannot access any of the available control inputs of current assistive products, which typically rely on residual motor functions. These patients are therefore unable to fully benefit from existent assistive technologies, including communication interfaces and assistive robotics. In this context, electroencephalography-based Brain-Machine Interfaces (BMIs) offer a potential non-invasive solution to exploit a non-muscular channel for communication and control of assistive robotic devices, such as a wheelchair, a telepresence robot, or a neuroprosthesis. Still, non-invasive BMIs currently suffer from limitations, such as lack of precision, robustness and comfort, which prevent their practical implementation in assistive technologies. The goal of this PhD research is to produce scientific and technical developments to advance the state of the art of assistive interfaces and service robotics based on BMI paradigms. Two main research paths to the design of effective control strategies were considered in this project. The first one is the design of hybrid systems, based on the combination of the BMI together with gaze control, which is a long-lasting motor function in many paralyzed patients. Such approach allows to increase the degrees of freedom available for the control. The second approach consists in the inclusion of adaptive techniques into the BMI design. This allows to transform robotic tools and devices into active assistants able to co-evolve with the user, and learn new rules of behavior to solve tasks, rather than passively executing external commands. Following these strategies, the contributions of this work can be categorized based on the typology of mental signal exploited for the control. These include: 1) the use of active signals for the development and implementation of hybrid eyetracking and BMI control policies, for both communication and control of robotic systems; 2) the exploitation of passive mental processes to increase the adaptability of an autonomous controller to the user\u2019s intention and psychophysiological state, in a reinforcement learning framework; 3) the integration of brain active and passive control signals, to achieve adaptation within the BMI architecture at the level of feature extraction and classification

Optimizing Common Spatial Pattern for a Motor Imagerybased BCI by Eigenvector Filteration

One of the fundamental criterion for the successful application of a brain-computer interface (BCI) system is to extract significant features that confine invariant characteristics specific to each brain state. Distinct features play an important role in enabling a computer to associate different electroencephalogram (EEG) signals to different brain states. To ease the workload on the feature extractor and enhance separability between different brain states, the data is often transformed or filtered to maximize separability before feature extraction. The common spatial patterns (CSP) approach can achieve this by linearly projecting the multichannel EEG data into a surrogate data space by the weighted summation of the appropriate channels. However, choosing the optimal spatial filters is very significant in the projection of the data and this has a direct impact on classification. This paper presents an optimized pattern selection method from the CSP filter for improved classification accuracy. Based on the hypothesis that values closer to zero in the CSP filter introduce noise rather than useful information, the CSP filter is modified by analyzing the CSP filter and removing/filtering the degradative or insignificant values from the filter. This hypothesis is tested by comparing the BCI results of eight subjects using the conventional CSP filters and the optimized CSP filter. In majority of the cases the latter produces better performance in terms of the overall classification accuracy

Optimizing Common Spatial Pattern for a Motor Imagerybased BCI by Eigenvector Filteration

One of the fundamental criterion for the successful application of a brain-computer interface (BCI) system is to extract significant features that confine invariant characteristics specific to each brain state. Distinct features play an important role in enabling a computer to associate different electroencephalogram (EEG) signals to different brain states. To ease the workload on the feature extractor and enhance separability between different brain states, the data is often transformed or filtered to maximize separability before feature extraction. The common spatial patterns (CSP) approach can achieve this by linearly projecting the multichannel EEG data into a surrogate data space by the weighted summation of the appropriate channels. However, choosing the optimal spatial filters is very significant in the projection of the data and this has a direct impact on classification. This paper presents an optimized pattern selection method from the CSP filter for improved classification accuracy. Based on the hypothesis that values closer to zero in the CSP filter introduce noise rather than useful information, the CSP filter is modified by analyzing the CSP filter and removing/filtering the degradative or insignificant values from the filter. This hypothesis is tested by comparing the BCI results of eight subjects using the conventional CSP filters and the optimized CSP filter. In majority of the cases the latter produces better performance in terms of the overall classification accuracy

Advancing Pattern Recognition Techniques for Brain-Computer Interfaces: Optimizing Discriminability, Compactness, and Robustness

In dieser Dissertation formulieren wir drei zentrale Zielkriterien zur systematischen Weiterentwicklung der Mustererkennung moderner Brain-Computer Interfaces (BCIs). Darauf aufbauend wird ein Rahmenwerk zur Mustererkennung von BCIs entwickelt, das die drei Zielkriterien durch einen neuen Optimierungsalgorithmus vereint. Darüber hinaus zeigen wir die erfolgreiche Umsetzung unseres Ansatzes für zwei innovative BCI Paradigmen, für die es bisher keine etablierte Mustererkennungsmethodik gibt

Adaptation and Control State Detection Techniques for Brain-Computer Interfaces

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Adaptive Cognitive Interaction Systems

Adaptive kognitive Interaktionssysteme beobachten und modellieren den Zustand ihres Benutzers und passen das Systemverhalten entsprechend an. Ein solches System besteht aus drei Komponenten: Dem empirischen kognitiven Modell, dem komputationalen kognitiven Modell und dem adaptiven Interaktionsmanager. Die vorliegende Arbeit enthält zahlreiche Beiträge zur Entwicklung dieser Komponenten sowie zu deren Kombination. Die Ergebnisse werden in zahlreichen Benutzerstudien validiert