Elena Pitsik— Junior Researcher v Univerzitní laboratoři neurověd a kognitivních technologií
Komunikace mezi počítačem a mozkem
Rozhraní mozek-počítač je systém, který umožňuje interakci mezi mozkem a počítačem.Otevírá komunikační kanál mezi mozkem apočítač a umožňuje jim vzájemnou výměnu informací. Nejjednodušším příkladem je generování příkazů pro externí zařízení využívající mozkovou aktivitu. Externím zařízením může být počítač, aplikace, robot, dron, protéza, exoskelet nebo cokoli jiného. Rozsah těchto rozhraní je velmi široký.
Nejdůležitější součástí rozhraní je technologie pro zaznamenávání biologických signálů z mozku.Existuje mnoho technologií, které mohou býtaplikovat v rozhraních. Signály elektrické aktivity jsou zaznamenávány pomocí zesilovače - elektroencefalografu. Jsou přenášeny na server, který tyto signály zpracovává. Existují velmi malá, kompaktní rozhraní, která využívají bezdrátovou technologii. Existuje doslova jeden malý čip. Pokud však plánujete používat rozhraní v klinickém prostředí (například pro rehabilitaci po mrtvici), pravděpodobně budete chtít mít mnoho kanálů a velkých dat. Zpracování velkých dat vyžaduje velké množství výpočetních zdrojů, proto se nejčastěji používá samostatný počítač se speciálním softwarem. A poté, co tento software zpracuje mozkový signál, je převeden na příkazy pro externí zařízení, které poskytuje zpětnou vazbu. Místo klasického monitoru může být cokoli: od aplikace pro sledování nálady až po systém ovládání robota.
Rozhraní mozek-počítač lze rozdělit do tří hlavních typů.Za prvé se jedná o aktivní nervové rozhraní, kteréznamená, že uživatel přímo a vědomě ovládá externí zařízení nebo aplikaci. Neurointerface je mozková aktivita, kterou uživatel generuje, čte, zpracovává a převádí na příkazy. Druhým typem je reaktivní nervové rozhraní. V něm mozkovou aktivitu neprodukuje mozek vědomě, ale je stimulována vnějšími vlivy – světlem, zvukem, hmatovými vjemy, příkazy. Například obrazy nebo zvukovou stimulací, které v naší mysli spouštějí určitou reakci. A tuto odpověď nemůžeme vědomě generovat bez vnějšího podnětu, takže potřebujeme nějakou zpětnou vazbu. Rozhraní mozek-počítač hledá tuto reakci na vnější podnět v našem mozku a používá ji ke generování příkazů a ovládání externího zařízení nebo k profilování zpětné vazby. Třetím typem neurálního rozhraní je pasivní neurální rozhraní. Nejsložitější a nepochopitelnější, protože nezahrnuje generování žádných příkazů pro externí zařízení a už vůbec ne ovládání. Toto rozhraní pasivně sedí na vás a sleduje váš stav během vašich každodenních aktivit. To znamená, že čtete, pracujete, řídíte auto a neurální rozhraní vás sleduje. Může být použit ke sledování úrovně pozornosti, zaměření, únavy, kognitivní zátěže a také vám poskytne zpětnou vazbu o vašem stavu.
Neurorehabilitace a jiná použití rozhraní
Neurointerface má velký společenský význam pro rozvoj různých rehabilitačních systémů a zlepšování kvality života lidí s dalšími potřebami.Jako jsou lidé se syndromem zamčenéhoztratili veškerou možnost kontaktu s vnějším světem, ale zároveň si zachovali vědomí; Jde o zcela paralyzované lidi, kteří nemohou mluvit, hýbat se a dokonce ani hýbat očima. Nemají tedy žádné jiné možnosti komunikace, než používat neurální rozhraní ke čtení jejich mozkové aktivity a jejich převedení do konkrétních příkazů. Těmito příkazy mohou být generování řeči, ovládání různých aplikací za účelem zachování každodenní funkčnosti a také základní komunikace s ostatními lidmi. Méně závažným stavem je částečná paralýza. Například lidé na invalidním vozíku, kteří nemohou chodit, nebo různé parézy po mozkové příhodě či následkem úrazu. V případě paralýzy, pokud je neléčitelná, pak lze kvalitu života takového člověka zlepšit tím, že mu poskytneme nějaký exoskelet nebo ortézu, kterou lze ovládat pomocí neurálního rozhraní. Toto je jedna z nejoblíbenějších oblastí ve vývoji neuronových rozhraní.
Nejoblíbenější aplikací neurálních rozhraní v medicíně je neurorehabilitace.Je to příležitost k urychlení rehabilitačního procesučlověk po úrazu nebo mozkové příhodě pomocí tréninku s rozhraním „mozek-počítač“, který zahrnuje podporu motorické aktivity, tedy sérii imaginárních pohybů. Existuje mnoho studií, které prokázaly, že taková rozhraní skutečně výrazně urychlují a zlepšují proces rehabilitace lidí, obnovují jejich ztracené motorické funkce.
V poslední době se rozhraní mezi mozkem a počítačem prolomila na hlavní trh a získala širší publikum.Dnes lze neuronové rozhraní zakoupit na eBayza malé peníze, bude to stát ještě méně než smartphone. V první řadě se používají pro zábavu – v herním průmyslu. Velmi často se také používají neurální rozhraní ke sledování různých stavů – nálady nebo fází spánku. Nervová rozhraní pro meditaci pomáhají člověku relaxovat a vedou ho v souladu s výsledky sledování jeho mozkové aktivity. Podobná zařízení se používají také k vývoji různých systémů pro trénink kognitivních dovedností – pozornosti, koncentrace nebo kognitivní zátěže. Jde o důležitou oblast, protože ji lze využít například při vývoji kognitivních zátěžových systémů pro piloty letadel a řidiče nákladních vozidel.
Co je mozek a jak můžete měřit jeho aktivitu
Ty a já jsme náš mozek.Mozek je tvořen buňkami tzvneurony. A každý neuron se skládá z jádra, těla a různých procesů, které zajišťují jeho komunikaci s jinými neurony - to jsou dendrity, axony a terminál (pokračování axonu pro komunikaci s jinými neurony - „High-Tech“). Jeden neuron je poměrně jednoduchá struktura, ale v hlavě jsou miliardy neuronů. Společně tak vytvářejí obrovskou síť, která dokáže zpracovávat komplexní datové sady a poskytovat nás jako jednotlivce.
Mozek je superpočítač, tj. Systém, který dokáže zpracovat obrovské množství informací.Neurony interagují hlavně mezi seboudvěma způsoby – elektřinou a chemickými vazbami. Elektrický signál je produkován neuronem a přenášen přes axon do synapsí (spojení mezi neurony – „High-Tech“) jiného neuronu. Když elektrický signál dorazí na výstup jednoho neuronu, přemění se na některé chemické zprávy zvané neurotransmitery. A jsou přenášeny z výstupu jednoho neuronu na vstup jiného neuronu, který je naopak přijímá, zpracovává, přeměňuje na elektrický signál a vysílá dále v tomto řetězci. Neuron může elektrický signál buď přijímat a procházet přes sebe, nebo jej uhasit, nepřijmout a přerušit řetězec. Jakákoli naše činnost tvoří síť neuronů, které nepřetržitě blikají a vytvářejí určitý vzorec, který nám umožňuje zpracovávat mnoho aktivních typů lidské činnosti.
Elektrickou aktivitu mozku lze měřit několika způsoby.Za prvé je to magnetická encefalografie,která zahrnuje měření elektromagnetických polí, která vznikají v důsledku elektrické aktivity v mozku. MEG stroj je velké zařízení, ve kterém člověk nehybně sedí, protože elektrody, které snímají magnetické pole, nejsou umístěny na hlavě, ale jsou umístěny v určité vzdálenosti od ní. MEG je velmi citlivý na různé vnější interference – včetně zemského magnetického pole a dalších magnetických polí, kterými je celá naše realita doslova naplněna. Proto, aby MEG dobře fungoval, musí být umístěn ve stíněné místnosti. Další metodou je blízká infračervená spektroskopie. Jedná se o neurozobrazovací technologii, která nám umožňuje vizualizovat procesy probíhající v mozku. K měření koncentrace oxy- a deoxyhemoglobinu využívá infračervené světlo. Zařízení se skládá z uzávěru, ke kterému jsou připevněny válce, těsně přiléhající k povrchu pokožky hlavy a rozdělené na dva typy - zdroj a detektor. Zdroj vysílá paprsek světla v infračervené oblasti. Toto světlo prochází kůží, lebkou a horní vrstvou kůry, tedy mozkem. Projde skrz, vrátí se zpět na povrch pokožky hlavy a je zachycen detektorem. Navíc vše, co je vidět, nese velmi důležitou informaci o hladině kyslíku v krvi. Když provádíme nějakou akci, jako je klepání, naše krev v motorické zóně je nasycena kyslíkem. Můžeme to změřit a definovat jako vzor. Další technologií je elektroencefalografie, z nich nejúčinnější. Může být použit v neurálním rozhraní, protože je relativně levný a docela jednoduchý. Nasadil jsem čepici, zatočil elektrodami, namazal je pastou – a fungovaly. Instalace EEG – elektroencefalograf – je také klobouk, který se člověku nasazuje na hlavu. Je potřeba přitlačit elektrody těsněji k hlavě osoby a správně je umístit.
Proč by měla být nervová rozhraní zabudována do mozku
Elektroencefalografy jsou různé.Zapisují signály s různým rozlišením a majírůzný počet kanálů. EEG také existují ve dvou typech. V zásadě se rozlišuje invazivní a neinvazivní EEG. Invazivní EEG zahrnuje chirurgický zákrok k otevření vaší lebky a umístění elektrod přímo na povrch vašeho mozku. Je jasné, že tato technologie se u lidí nepoužívá. Používá se především ve vědě o zvířatech ke studiu jejich činnosti, která je velmi podobná lidské činnosti. EEG signál, který je čten přímo z povrchu kůry a velmi malé skupiny neuronů, má lepší výkon než neinvazivní technologie. Protože neobsahuje různé artefakty, které jsou charakteristické pro EEG.
Existují oblasti, ve kterých jsou invazivní rozhraní velmi důležitá a ve skutečnosti jediná technologie, která může zmírnit stav člověka.Jedná se například o epilepsii.Naše laboratoř studuje typ epilepsie nazývaný absence epilepsie. Jedná se o epilepsii, která není spojena se záchvaty. Člověk při útoku nezažívá křeče, prostě se na chvíli odpojí od světa. A on o tom neví, že je odpojený. Tento stav je také velmi nebezpečný, nehledě na to, že neexistují žádné vnější projevy kromě toho, že se člověk odpojil od reality. Protože například nemusí vědět, že má nepřítomnou epilepsii a při řízení omdlí. Proto je také velmi důležité zabránit všem útokům a rozhraní tomu může zabránit. Když má člověk záchvat, za prvé se synchronizují různé mozkové rytmy - to je velmi snadné zachytit. Útoku navíc předchází určitý typ činnosti – nějakou dobu před útokem můžeme určit, co bude dál. Když to nervové rozhraní zaznamená, může do mozku vyslat impulsy, které pomohou tento útok potlačit. Člověk, který toto rozhraní nosí pravidelně, přitom nic nepocítí a nepozná, že se právě chystal k útoku.
Neuralink Ilona Mask se liší od ostatníchinvazivní neurointerfaces v tom, že elektrody, které píšou EEG, jsou umístěny na velmi tenkých filamentech (tenčí než lidské vlasy) a mnoho elektrod je umístěno na jednom filamentu.Je možné zaznamenat až 3 tisíce elektrod.Jedná se o obrovské množství dat. Vzhledem k tomu, že se nacházejí na kůře, jsou velmi malé a píší signál z malé skupiny neuronů. Tímto způsobem můžeme zachytit velmi jemnou činnost.
Muskova technologie částečně řeší problém, který je běžný při používání neinvazivního EEG - rozšíření pole (od anglické „síly elektrického pole“ - „Hi-tech“).Když píšeme neinvazivní EEG, superponujemeelektroda na hlavě a zaznamenává z velké skupiny neuronů. Vytváří obecné energetické pole. Elektrická pole z různých neuronů se překrývají a vzájemně interferují. Když tedy píšeme určitý typ činnosti, máme ve skutečnosti mnoho různých činností, což narušuje zpracování. A velmi velkým problémem všech invazivních rozhraní je, že naše tělo nechce, aby se do něj strkaly cizí předměty.
Neinvazivní EEG je EEG, který používáme průběžně.V podstatě se jedná o elektrody umístěné napovrch hlavy s čepicí. Každá elektroda zaznamenává aktivitu určité skupiny neuronů. Umístění elektrod je velmi důležité, protože značně ovlivňuje výsledek zpracování.
Elektroencefalogram je elektrický signál.Zpracování tohoto signálu je úkolem radiofyziky.K izolaci vlastností tohoto signálu můžeme použít konvenční metody analýzy. Naším úkolem je zvýraznit určité vzorce, které tomuto pohybu odpovídají.
Hlavní potíže při vytváření neurálních rozhraní
Proč je tak obtížné vytvořit neurální rozhraní?Protože se jedná o velmi obtížné úkoly:zpracovat EEG a identifikovat vzory. Vyžadují integrovaný a pečlivý přístup. Za prvé proto, že každý člověk je individuální, stejně jako jeho mozek. Dokonce i homozygotní dvojčata mají velmi odlišné mozky, jako jsou otisky prstů. Nemůžeme vytvořit jeden univerzální systém, který funguje pro všechny lidi stejně. Pro každého je potřeba jej upravovat, kalibrovat a neustále měnit. Dalším důvodem jsou specifika úkolu. Každý člověk může vykonávat stejný úkol jinak a kumulovat různé činnosti. Rozmístění senzorů je také lidský faktor. V různých experimentech mohou být senzory umístěny mírně odlišně, ale to je také velmi důležité, protože budou zapisovat jinou aktivitu. Dalším důvodem je nestacionární dynamika mozku na všech časových škálách. To znamená, že se neustále mění ve všech časových měřítcích. Můžeme vzít velký kus EEG signálu, rozdělit ho na sekundy a každá sekunda bude jiná. Mozky se neustále mění, vyvíjejí a přizpůsobují se svému vnějšímu prostředí. Důležitým problémem je vysoká hladina šumu v EEG záznamech a artefaktech. Protože elektrody umísťujeme na povrch pokožky hlavy a pod ní, mezi kůži a lebku, jsou svalová vlákna, která pracují, pohybují se a vytvářejí jakési motorické artefakty na EEG signálu. Navíc neustále hýbeme očima, mrkáme a to vše také vede k EEG, které je vidět nejen na kanálcích na čele, ale i na zátylku. Kromě toho nám bije srdce. Srdeční artefakty jsou na EEG přítomny téměř u všech lidí. Vznikají pulsací krve v cévách pod kůží.
Existují skvělé metody, které nám pomáhají zbavit se všech artefaktů.Artefakty můžete odstranit nebo je filtrovat.Existují metody, které umožňují odstranit komponenty odpovídající srdečnímu tepu, okulomotorickým artefaktům a filtrovat EEG signál v rozsahu, který potřebujeme. Dále je jako metoda analýzy signálu použita časově-frekvenční analýza. Vyhodnocujeme energii každého rytmu a vidíme, který z nich obsahuje nějakou dynamiku spojenou s efektem, který hledáme. Časově-frekvenční analýza zahrnuje vlnky, Fourierovu analýzu atd.
Dalším krokem je vytvoření funkčních spojení mezi různými oblastmi mozku.Když něco děláme (pohybujeme rukama,představte si pohyby rukou), oblasti našeho mozku interagují buď synchronně, nebo desynchronně. Během této interakce se navzájem ovlivňují. Na základě těchto vlivů je možné vybudovat síť funkčních spojení, která popisuje, která spojení jsou posílena a která oslabena, a na základě toho můžeme vyvodit závěr o tom, jak naši aktivitu budují a zpracovávají neurony na škále celý mozek. Umělé neuronové sítě jsou zde nejslibnější, protože fungují rychle a jsou založeny na biologickém modelu neuronů.
EEG signál je složitá struktura s mnoha komponentami, ale jeho složitost se mění v čase a v závislosti na tom, co děláme.Z dynamiky této složitosti to můžeme pochopitse stane, vyhodnoťte to, klasifikujte a na tomto základě vytvořte jakýsi klasifikátor. Konkrétním příkladem je odstraňování artefaktů. Řekněme, že máme vícekanálový signál EEG, který vykazuje artefakty, které způsobují interferenci na téměř všech kanálech. A vypadají jako okulomotorické artefakty. Odstraňují se metodou nezávislých komponent. Každý signál je rozložen na několik složek, které obsahují vlastní informace. Jeden z nich obsahuje něco, co v signálu nepotřebujeme – tentýž okulomotorický artefakt. Vezmeme to a vyhodíme. Získáváme čistý, informativnější signál obsahující to, co potřebujeme. Filtrace je základní věc.
Jeden signál lze filtrovat v různých frekvenčních rozsazích.Alfa rytmus (8–14 Hz) a beta rytmus (15–30 Hz) -to jsou dva mozkové rytmy, dvě frekvenční složky, které obsahují nejvíce informací o tom, jak mozek zpracovává motorickou aktivitu. Chceme-li klasifikovat imaginární nebo reálné pohyby, obracíme se k alfa a beta rytmu a hledáme na nich vzorec.
Nalezení vzoru je klasifikační úkol.Podívat se na vzor můžemepoužijte metodu časově-frekvenční analýzy. Vzorem je motorická aktivita na EEG a nejčastěji citovaná je desynchronizace související s událostmi. Vezmeme aktivitu alfa rytmu. Obsahuje spoustu informací o tom, jak se pohybujeme. Tato informace je následující: když uděláme pohyb, sníží se počet neuronů, které se podílejí na zpracování informací. Tím je alfa rytmus potlačen. Jeho amplituda se snižuje a generuje méně energie. Toto potlačení alfa rytmu pokračuje během celého pohybu. Pokud vidíme, že alfa rytmus klesl, můžeme říci, že v tu chvíli nastal pohyb. Člověk například zatne ruku v pěst. Alfa rytmus klesá, jeho energie klesá. Desynchronizuje se a my to vidíme. Poté osoba uvolní ruku a alfa rytmus se obnoví a vrátí se do normálního stavu. Celý problém je v tom, že desynchronizace je na zprůměrovaných datech jasně viditelná. Provedeme několik pohybů, vypočítáme povrch vlnky pro každý, zprůměrujeme je a získáme jasný obrázek. Uděláme jeden pohyb, spočítáme jeho vlnový povrch a nic nevidíme. Ničemu nerozumíme, protože tento pohyb je velmi jemný efekt.
Viz také:
Podívejte se, jak léto vypadá na Saturn
Byla tam fotka toho, jak pouštní prach „proudí“ do Atlantského oceánu
Podívejte se, co Hubbleův nástupní dalekohled vidí ve vesmíru