Forskare vid Tokyo Institute of Technology fann en enkel, ändå effektivt sätt att förbättra hur synkronisering mäts i kaotiska system. Tekniken består av att lägga till en konstant parameter till de "analytiska signalerna" på ett sätt som betonar vissa aspekter av deras timing. Detta kan förbättra hjärn-dator-gränssnitt utformade för att hjälpa funktionshindrade.

Människor är bra på att upptäcka om olika saker händer samtidigt, till exempel, om två lampor blinkar tillsammans eller inte. När två gungor rör sig med en vanlig rörelse, det är lätt att avgöra om det finns någon tidsmässig relation eller "synkronisering". Dock, banan för vissa föremål, som drakar, kan vara mycket komplicerat samtidigt som det uppvisar något mönster, även om det kan vara svårt att upptäcka; sådana system kallas "kaotiska". I fysik, kaos betyder inte brist på ordning; det indikerar närvaron av en mycket komplicerad typ av order. Kaotisk ordning kan hittas i många system, inklusive neuronernas aktivitet.

När banor, som inte nödvändigtvis motsvarar fysisk rörelse utan istället kan representera elektriska signaler, är tillräckligt komplicerade, det blir svårt att avgöra om de är synkroniserade. I många fall, endast vissa aspekter av deras rörelse kan vara relaterade till varandra. Därav, att mäta synkronisering är svårt och har varit föremål för forskning i decennier.

Vanligtvis, när en bana ungefär upprepar sig i en slinga, det är användbart att överväga vid vilken tidpunkt i denna cykel systemet vi observerar är vid en given tidpunkt; vi kallar detta dess "fas". Under tiden, när en bana är oregelbunden, storleken på slingan ändras också och varje cykel kan vara större eller mindre än den föregående; detta kallas "amplituden". Dessa två aspekter är oberoende och kan extraheras från vilken signal som helst via ett matematiskt trick som kallas den "analytiska signalen".

Att mäta om faserna i två system är relaterade ("faslåst") är avgörande inom många intresseområden. Att erhålla graden av faslåsning mellan alla möjliga elektrodkombinationer representerar ett bra sätt att gissa vad någon tänker på via spänningar som mäts via elektroencefalogram. Sådana tekniker är ännu inte särskilt detaljerade, men kan upptäcka vissa former av imaginära rörelser som en datakälla för hjärnans gränssnitt för att hjälpa funktionshindrade.

Dock, dessa hjärn-dator-gränssnitt är i allmänhet långsamma och felaktiga. Nu, forskare i Japan, Polen och Italien föreslår ett nytt tillvägagångssätt för att mäta synkroniseringen mellan elektroencefalogramsignaler. Denna forskning var resultatet av ett samarbete mellan forskare från Tokyo Institute of Technology, delvis finansierat av World Research Hub Initiative, polska vetenskapsakademin i Krakow, Polen, och universitetet i Catania, Italien.

Idén är okomplicerad och består i att lägga till en konstant efter att ha beräknat den "analytiska signalen"; detta har effektivt en skev effekt, som visas i figur 1. En konsekvens är att synkronisering mellan faserna och amplituderna för två signaler fångas gemensamt på ett sätt som beror på värdet av denna adderade konstant.

Forskargruppen analyserade först effekterna av att lägga till denna konstant i enkla teoretiska system innan de gick vidare till mer representativa fall, såsom ett nätverk av transistoroscillatorer. Sedan tillämpade de sitt tillvägagångssätt på en datauppsättning av elektroencefalogramsignaler för vilka användarna blev tillsagda att antingen vila eller föreställa sig att de skulle flytta sin vänstra eller högra hand. Den tillagda konstanten hjälpte klart teamet att mäta synkroniseringen mellan elektroderna, i slutändan tillåter dem att öka klassificeringsnoggrannheten för dessa imaginära handlingar.

Även om det är enkelt, tillvägagångssättet resulterade i betydande förbättringar i de fall som analyserades av teamet. I framtida ansträngningar, de kommer att fortsätta att undersöka denna metod så att den förhoppningsvis får genomslag i praktiska tillämpningar.