Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben een eenvoudige, maar effectieve manier om te verbeteren hoe synchronisatie wordt gemeten in chaotische systemen. De techniek bestaat uit het toevoegen van een constante parameter aan de "analytische signalen" op een manier die bepaalde aspecten van hun timing benadrukt. Dit zou de interfaces tussen hersenen en computers kunnen verbeteren die zijn ontworpen om mensen met een handicap te helpen.

Mensen zijn goed in het detecteren of er verschillende dingen tegelijk gebeuren, bijvoorbeeld, of twee lampjes samen knipperen of niet. Wanneer twee schommels met een regelmatige beweging bewegen, het is gemakkelijk te zeggen of er een tijdelijke relatie of 'synchronisatie' is. Echter, de baan van sommige objecten, zoals vliegers, kan erg ingewikkeld zijn en toch een patroon vertonen, ook al is het misschien moeilijk te detecteren; dergelijke systemen worden 'chaotisch' genoemd. in de natuurkunde, chaos betekent niet gebrek aan orde; het duidt op de aanwezigheid van een zeer gecompliceerd type bestelling. Chaotische orde is te vinden in veel systemen, inclusief de activiteit van neuronen.

Wanneer trajecten, die niet noodzakelijk overeenkomen met fysieke beweging en in plaats daarvan elektrische signalen kunnen vertegenwoordigen, zijn voldoende ingewikkeld, het wordt een uitdaging om te bepalen of ze gesynchroniseerd zijn. Vaak, slechts enkele aspecten van hun beweging kunnen met elkaar in verband staan. Vandaar, het meten van synchronisatie is moeilijk en is al tientallen jaren onderwerp van onderzoek.

Gebruikelijk, wanneer een traject zich ongeveer herhaalt in een lus, het is nuttig om na te gaan in welk punt van deze cyclus het systeem dat we waarnemen zich op een bepaald moment bevindt; we noemen dit de 'fase'. In de tussentijd, wanneer een traject onregelmatig is, de grootte van de lus verandert ook en elke cyclus kan groter of kleiner zijn dan de vorige; dit wordt de "amplitude" genoemd. Deze twee aspecten zijn onafhankelijk en kunnen uit elk signaal worden geëxtraheerd via een wiskundige truc die het 'analytische signaal' wordt genoemd.

Meten of de fasen van twee systemen gerelateerd zijn ("phase locked") is cruciaal voor veel interessegebieden. Het verkrijgen van de mate van fasevergrendeling tussen alle mogelijke elektrodencombinaties is een goede manier om te raden waar iemand aan denkt via spanningen die worden gemeten via elektro-encefalogram. Dergelijke technieken zijn nog niet erg gedetailleerd, maar kan sommige vormen van denkbeeldige bewegingen detecteren als gegevensbron voor herseninterfaces om gehandicapten te helpen.

Echter, deze brein-computerinterfaces zijn over het algemeen traag en onnauwkeurig. Nutsvoorzieningen, onderzoekers in Japan, Polen en Italië stellen een nieuwe benadering voor om de synchronisatie tussen elektro-encefalogramsignalen te meten. Dit onderzoek was het resultaat van een samenwerking tussen wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology, gedeeltelijk gefinancierd door het World Research Hub Initiative, de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, Polen, en de Universiteit van Catania, Italië.

Het idee is eenvoudig en bestaat uit het toevoegen van een constante na het berekenen van het "analytische signaal"; dit heeft effectief een kromtrekkend effect, zoals weergegeven in figuur 1. Een gevolg is dat synchronisatie tussen de fasen en amplitudes van twee signalen gezamenlijk wordt vastgelegd op een manier die afhangt van de waarde van deze toegevoegde constante.

Het onderzoeksteam analyseerde eerst de effecten van het toevoegen van deze constante in eenvoudige theoretische systemen voordat het verder ging met meer representatieve gevallen, zoals een netwerk van transistoroscillatoren. Vervolgens pasten ze hun benadering toe op een dataset van elektro-encefalogramsignalen waarvoor gebruikers moesten rusten of zich voorstellen dat ze hun linker- of rechterhand zouden bewegen. De toegevoegde constante hielp het team duidelijk de synchronisatie tussen elektroden te meten, waardoor ze uiteindelijk de classificatienauwkeurigheid voor deze denkbeeldige acties kunnen vergroten.

Hoewel eenvoudig, de aanpak leidde tot aanzienlijke verbeteringen in de door het team geanalyseerde gevallen. Bij toekomstige inspanningen, zij zullen deze methode blijven onderzoeken, zodat deze hopelijk effect heeft in praktische toepassingen.