Elena Pitsik— Juniorforsker ved universitetets laboratorium for neurovidenskab og kognitive teknologier
Kommunikation mellem computeren og hjernen
En hjerne-computer grænseflade er et system, der muliggør interaktion mellem hjernen og en computer.Det åbner en kommunikationskanal mellem hjernen ogcomputer og giver dem mulighed for at udveksle information med hinanden. Det enkleste eksempel er generering af kommandoer til en ekstern enhed ved hjælp af hjerneaktivitet. En ekstern enhed kan være en computer, en applikation, en robot, en drone, en protese, et exoskelet eller hvad som helst. Omfanget af sådanne grænseflader er meget bredt.
Den vigtigste del af interface er teknologien til registrering af biologiske signaler fra hjernen.Det er der mange teknologier, der kan væreanvende i grænseflader. Signaler om elektrisk aktivitet optages ved hjælp af en forstærker - en elektroencefalograf. De sendes til serveren, som behandler disse signaler. Der er meget små, kompakte grænseflader, der bruger trådløs teknologi. Der er bogstaveligt talt en lille chip. Men hvis du planlægger at bruge grænsefladen i et klinisk miljø (for eksempel til genoptræning efter slagtilfælde), så vil du sandsynligvis have mange kanaler og big data. Behandling af Big Data kræver mange computerressourcer, så der bruges oftest en separat computer med speciel software. Og efter at denne software har behandlet hjernesignalet, bliver det oversat til kommandoer for en ekstern enhed, der giver feedback. I stedet for en klassisk monitor kan der være alt fra en applikation til at overvåge dit humør til et robotkontrolsystem.
Hjernecomputer-grænseflader kan opdeles i tre hovedtyper.For det første er dette en aktiv neural grænseflade, somindebærer, at brugeren direkte og bevidst kontrollerer en ekstern enhed eller applikation. Neurogrænsefladen er den hjerneaktivitet, som brugeren genererer, læser, bearbejder og konverterer til kommandoer. Den anden type er en reaktiv neural grænseflade. I den produceres hjerneaktivitet ikke bevidst af hjernen, men stimuleres af ydre påvirkninger - lys, lyd, taktile fornemmelser, kommandoer. For eksempel billeder eller lydstimulering, der udløser en bestemt reaktion i vores sind. Og vi kan ikke bevidst generere dette svar uden en ekstern stimulus, så vi har brug for en form for feedback. En hjerne-computer-grænseflade leder efter denne reaktion på en ekstern stimulus i vores hjerne og bruger den til at generere kommandoer og styre en ekstern enhed eller til at profilere feedback. Den tredje type neural grænseflade er en passiv neural grænseflade. Det mest komplekse og uforståelige, fordi det ikke involverer generering af kommandoer til en ekstern enhed og ingen kontrol overhovedet. Denne grænseflade sidder passivt på dig og overvåger din tilstand under dine daglige aktiviteter. Det vil sige, at du læser, arbejder, kører bil, og det neurale interface overvåger dig. Den kan bruges til at spore dit opmærksomhedsniveau, fokus, træthed, kognitiv belastning og også give dig feedback om din tilstand.
Neurorehabilitering og anden anvendelse af grænseflader
Neurogrænsefladen har høj social betydning for udvikling af forskellige rehabiliteringssystemer og forbedring af livskvaliteten for mennesker med yderligere behov.Såsom mennesker med locked-in syndrom -de mistede al mulighed for kontakt med omverdenen, men beholdt samtidig deres bevidsthed; Det er fuldstændig lammede mennesker, som ikke kan tale, bevæge sig eller endda bevæge øjnene. De har således ingen andre muligheder for kommunikation end at bruge neurale interfaces til at aflæse deres hjerneaktivitet og omsætte den til specifikke kommandoer. Disse kommandoer kan være talegenerering, styring af forskellige applikationer for at opretholde dagligdags funktionalitet samt give grundlæggende kommunikation med andre mennesker. En mindre alvorlig tilstand er delvis lammelse. For eksempel personer i kørestol, som ikke kan gå, eller diverse pareser efter et slagtilfælde eller som følge af skade. I tilfælde af lammelse, hvis den er uhelbredelig, kan livskvaliteten for en sådan person forbedres ved at give ham en form for eksoskelet eller ortose, der kan kontrolleres ved hjælp af en neural grænseflade. Dette er et af de mest populære områder i udviklingen af neurale grænseflader.
Den mest populære anvendelse af neurale grænseflader i medicin er neurorehabilitering.Dette er en mulighed for at fremskynde rehabiliteringsprocessenen person efter en skade eller slagtilfælde ved hjælp af træning med en "hjerne-computer"-grænseflade, som involverer understøttelse af motorisk aktivitet, det vil sige en række imaginære bevægelser. Der er mange undersøgelser, der har vist, at sådanne grænseflader virkelig fremskynder og forbedrer processen med rehabilitering af mennesker betydeligt, og genopretter deres mistede motoriske funktioner.
For nylig har hjerne-til-computer-grænseflader bragt igennem til mainstream-markedet og fået et bredere publikum.I dag kan den neurale interface købes på eBay forsmå penge, vil det koste endnu mindre end en smartphone. Først og fremmest bruges de til underholdning – i spilindustrien. Også meget ofte bruges neurale grænseflader til at overvåge forskellige tilstande - humør eller søvnfaser. Neurale grænseflader til meditation hjælper en person med at slappe af og guide ham i overensstemmelse med resultaterne af overvågning af hans hjerneaktivitet. Lignende enheder bruges også til at udvikle forskellige systemer til træning af kognitive færdigheder – opmærksomhed, koncentration eller kognitiv belastning. Dette er et vigtigt område, fordi det for eksempel kan bruges i udviklingen af kognitive belastningssystemer til flypiloter og lastbilchauffører.
Hvad er hjernen, og hvordan du kan måle dens aktivitet
Du og jeg er vores hjerne.Hjernen består af celler kaldetneuroner. Og hver neuron består af en kerne, en krop og forskellige processer, der sikrer dens kommunikation med andre neuroner - disse er dendritter, axoner og en terminal (en fortsættelse af axonen til kommunikation med andre neuroner - "High-Tech"). En neuron er en ret simpel struktur, men der er milliarder af neuroner i hovedet. Således skaber de sammen et kæmpe netværk, der kan behandle komplekse datasæt og sørge for os som individer.
Hjernen er en supercomputer, det vil sige et system, der kan behandle enorme mængder information.Neuroner interagerer hovedsageligt med hinandento måder - elektricitet og kemiske bindinger. Et elektrisk signal produceres af en neuron og transmitteres gennem en axon til synapserne (forbindelser mellem neuroner - "High-Tech") af en anden neuron. Når et elektrisk signal ankommer til outputtet af en neuron, omdannes det til nogle kemiske meddelelser kaldet neurotransmittere. Og de transmitteres fra outputtet af en neuron til input fra en anden, som igen modtager dem, behandler dem, forvandler dem til et elektrisk signal og sender dem videre langs denne kæde. En neuron kan enten modtage og sende et elektrisk signal gennem sig selv, eller slukke det, ikke modtage det og afbryde kæden. Enhver af vores aktiviteter danner et netværk af neuroner, der blinker kontinuerligt, og danner et bestemt mønster, der tillader os at behandle mange aktive typer af menneskelig aktivitet.
Der er flere metoder til at måle hjernens elektriske aktivitet.For det første er dette magnetisk encefalografi,som går ud på at måle elektromagnetiske felter, der opstår som følge af elektrisk aktivitet i hjernen. En MEG-maskine er en stor enhed, hvor en person sidder ubevægelig, fordi elektroderne, der aflæser magnetfeltet, ikke er placeret på hovedet, men er placeret i en vis afstand fra det. MEG er meget følsom over for forskellige ydre interferenser – herunder jordens magnetfelt og andre magnetfelter, som hele vores virkelighed bogstaveligt talt er fyldt med. For at MEG skal fungere godt, skal den derfor placeres i et afskærmet rum. En anden metode er nær-infrarød spektroskopi. Dette er en neuroimaging teknologi, der giver os mulighed for at visualisere de processer, der foregår i hjernen. Den bruger infrarødt lys til at måle koncentrationen af oxy- og deoxyhæmoglobin. Enheden består af en hætte, som cylindre er fastgjort til, tæt ved siden af overfladen af hovedbunden og opdelt i to typer - kilde og detektor. Kilden udsender en lysstråle i det infrarøde område. Dette lys passerer gennem huden, kraniet og det øverste lag af cortex, det vil sige hjernen. Det passerer igennem, vender tilbage til overfladen af hovedbunden og fanges af detektoren. Desuden indeholder alt, hvad der kan ses, meget vigtig information om niveauet af ilt i blodet. Når vi udfører en handling, såsom at banke, er vores blod i motorzonen mættet med ilt. Vi kan måle dette og definere det som et mønster. Den næste teknologi er elektroencefalografi, den mest effektive af disse. Det kan bruges i en neural grænseflade, fordi det er relativt billigt og ganske enkelt. Jeg tog en hætte på, snoede elektroderne, smurte dem med pasta – og de virkede. En EEG-installation - en elektroencefalograf - er også en hat, der sættes på en persons hoved. Det er nødvendigt at trykke elektroderne tættere mod personens hoved og placere dem korrekt.
Hvorfor skal neurale grænseflader være indlejret i hjernen?
Elektroencefalografer er forskellige.De skriver signaler med forskellige opløsninger og harforskelligt antal kanaler. EEG'er findes også i to typer. Grundlæggende er der invasive og ikke-invasive EEG. Et invasivt EEG involverer kirurgi for at åbne dit kranium og placere elektroder direkte på overfladen af din hjerne. Det er klart, at denne teknologi ikke bruges hos mennesker. Det bruges hovedsageligt inden for dyrevidenskab til at studere deres aktivitet, som ligner meget menneskelig aktivitet. EEG-signalet, som aflæses direkte fra overfladen af cortex og en meget lille gruppe neuroner, har bedre ydeevne end ikke-invasiv teknologi. Fordi den er fri for forskellige artefakter, der er karakteristiske for EEG.
Der er områder, hvor invasive grænseflader er meget vigtige og faktisk den eneste teknologi, der kan lindre en persons tilstand.Det er for eksempel epilepsi.Vores laboratorium undersøger en type epilepsi kaldet absence epilepsi. Dette er epilepsi, der ikke er forbundet med anfald. En person oplever ikke kramper under et angreb, han afbryder simpelthen forbindelsen fra verden i et stykke tid. Og han ved ikke om det, at han er afbrudt. Denne tilstand er også meget farlig, på trods af at der ikke er andre ydre manifestationer end det faktum, at personen har koblet sig fra virkeligheden. Fordi han måske for eksempel ikke ved, at han har fraværsepilepsi og besvimer under kørslen. Derfor er det også meget vigtigt at forhindre alle angreb, og grænsefladen kan forhindre det. Når en person får et angreb, synkroniseres for det første forskellige hjernerytmer - det er meget nemt at fange. Derudover er et angreb forudgået af en bestemt type aktivitet – et stykke tid før angrebet kan vi fastslå, hvad der så skal ske. Når den neurale grænseflade registrerer dette, kan den sende impulser til hjernen, der hjælper med at undertrykke dette angreb. På samme tid vil en person, der bærer denne grænseflade regelmæssigt, ikke føle noget og ikke vide, at han lige var ved at få et angreb.
Neuralink Elona Musk er forskellig fra andreinvasive neurointerfaces ved, at elektroderne, der skriver EEG, er placeret på meget tynde filamenter (tyndere end et menneskehår), og mange elektroder er placeret på en glødetråd.Det er muligt at optage op til 3 tusinde elektroder.Dette er en enorm mængde data. Da de er placeret på cortex, er de meget små og skriver et signal fra en lille gruppe neuroner. På denne måde kan vi fange meget subtil aktivitet.
Musks teknologi løser delvist det problem, der er almindeligt, når man bruger ikke-invasiv EEG - felt spredning (fra engelsk "elektrisk feltstyrke" - "Hi-tech").Når vi skriver et ikke-invasivt EEG, overlejrer vielektrode på hovedet, og den optager fra en stor gruppe neuroner. Det genererer et generelt energifelt. Elektriske felter fra forskellige neuroner overlapper og interfererer med hinanden. Så når vi skriver en bestemt type aktivitet, har vi faktisk mange forskellige aktiviteter, som forstyrrer behandlingen. Og et meget stort problem med alle invasive grænseflader er, at vores krop ikke vil have fremmedlegemer skubbet ind i den.
Et ikke-invasivt EEG er et EEG, som vi bruger løbende.I det væsentlige er disse elektroder placeret påoverflade af hovedet med en hætte. Hver elektrode registrerer aktiviteten af en bestemt gruppe neuroner. Placeringen af elektroderne er meget vigtig, fordi den har stor indflydelse på bearbejdningsresultatet.
Et elektroencefalogram er et elektrisk signal.Behandling af dette signal er en radiofysisk opgave.Vi kan bruge konventionelle analyseteknikker til at isolere funktioner i dette signal. Vores opgave er at fremhæve bestemte mønstre, der svarer til denne bevægelse.
De største vanskeligheder med at skabe neurale grænseflader
Hvorfor er det så svært at skabe en neural grænseflade?For det er meget svære opgaver:behandle EEG og identificere mønstre. De kræver en integreret og omhyggelig tilgang. For det første fordi hver person er individuel, ligesom hans hjerne. Selv homozygote tvillinger har meget forskellige hjerner, som fingeraftryk. Vi kan ikke skabe ét universelt system, der fungerer ens for alle mennesker. Det skal justeres, kalibreres og konstant ændres for alle. Den næste grund er opgavens detaljer. Hver person kan udføre den samme opgave forskelligt og akkumulere forskellige aktiviteter. Placeringen af sensorer er også en menneskelig faktor. I forskellige eksperimenter kan sensorerne være placeret lidt anderledes, men det er også meget vigtigt, fordi de vil skrive en anden aktivitet. En anden grund er hjernens ikke-stationære dynamik på alle tidsskalaer. Det betyder, at det hele tiden ændrer sig på alle tidsskalaer. Vi kan tage et stort stykke EEG-signal, opdele det i sekunder, og hvert sekund vil være anderledes. Hjerner ændrer sig konstant, udvikler sig og tilpasser sig deres ydre miljø. Et vigtigt problem er det høje niveau af støj i EEG-optagelser og artefakter. Fordi vi placerer elektroder på overfladen af hovedbunden, og nedenunder, mellem huden og kraniet, er der muskelfibre, der arbejder, bevæger sig og skaber en form for motoriske artefakter på EEG-signalet. Ud over dette bevæger vi konstant vores øjne, blinker, og alt dette giver også vejledning til EEG'et, som ikke kun er synligt på kanalerne på panden, men også på bagsiden af hovedet. Desuden banker vores hjerte. Hjerteartefakter er til stede på EEG'et hos næsten alle mennesker. De opstår ved pulsering af blod i karrene under huden.
Der er fede metoder, der hjælper os med at slippe af med alle artefakter.Du kan fjerne artefakter eller filtrere dem.Der er metoder, der giver dig mulighed for at fjerne komponenter svarende til hjerteslag, oculomotoriske artefakter og filtrere EEG-signalet i det område, vi har brug for. Dernæst anvendes tids-frekvensanalyse som en signalanalysemetode. Vi evaluerer energien af hver rytme og ser, hvilken der indeholder nogle dynamikker forbundet med den effekt, vi leder efter. Tidsfrekvensanalyse inkluderer wavelets, Fourier-analyse osv.
Det næste trin er at etablere funktionelle forbindelser mellem forskellige områder af hjernen.Når vi gør noget (vi bevæger vores hænder,forestille sig håndbevægelser), interagerer vores hjerneområder enten synkront eller desynkront. De påvirker hinanden under denne interaktion. Ud fra disse påvirkninger er det muligt at opbygge et netværk af funktionelle forbindelser, der beskriver hvilke forbindelser der styrkes og hvilke der svækkes, og ud fra dette kan vi drage en konklusion om hvordan vores aktivitet er opbygget og bearbejdet af neuroner på en skala af hele hjernen. Kunstige neurale netværk er de mest lovende her, fordi de arbejder hurtigt og er baseret på en biologisk model af neuroner.
EEG-signalet er en kompleks struktur med mange komponenter, men dets kompleksitet ændrer sig over tid og afhængigt af, hvad vi gør.Ud fra dynamikken i denne kompleksitet kan vi forstå detsker, evaluer det, klassificer det og lav en form for klassificering på dette grundlag. Et specifikt eksempel er fjernelse af artefakter. Lad os sige, at vi har et multikanal EEG-signal, og det viser artefakter, der giver interferens på næsten alle kanaler. Og de ligner oculomotoriske artefakter. De fjernes ved hjælp af den uafhængige komponentmetode. Hvert signal er opdelt i flere komponenter, der indeholder deres egen information. En af dem indeholder noget, vi ikke har brug for i signalet - den meget oculomotoriske artefakt. Vi tager det og smider det væk. Vi får et rent, mere informativt signal, der indeholder det, vi har brug for. Filtrering er en grundlæggende ting.
Et signal kan filtreres i forskellige frekvensområder.Alfarytme (8–14 Hz) og betarytme (15–30 Hz) -det er de to hjernerytmer, de to frekvenskomponenter, der indeholder mest information om, hvordan hjernen behandler motorisk aktivitet. Hvis vi vil klassificere imaginære eller virkelige bevægelser, vender vi os til alfa- og beta-rytmen og leder efter et mønster på dem.
At finde et mønster er en klassificeringsopgave.For at se på mønsteret kan vibruge tids-frekvensanalysemetoden. Mønsteret er motorisk aktivitet på EEG'et, og det mest almindeligt nævnte er hændelsesrelateret desynkronisering. Vi tager aktiviteten af alfarytmen. Den indeholder en masse information om, hvordan vi bevæger os. Denne information er som følger: Når vi foretager en bevægelse, falder antallet af neuroner, der er involveret i at behandle information. Dermed er alfarytmen undertrykt. Dens amplitude falder, og den genererer mindre energi. Denne undertrykkelse af alfarytmen fortsætter gennem hele bevægelsen. Hvis vi ser, at alfarytmen er faldet, kan vi sige, at der er sket bevægelse i det øjeblik. For eksempel knytter en person sin hånd ind i en knytnæve. Alfarytmen falder, dens energi falder. Han desynkroniserer, og vi kan se det. Så løsner personen sin hånd, og alfarytmen genoprettes og vender tilbage til sin normale tilstand. Hele problemet er, at desynkronisering er tydeligt synlig i gennemsnitsdata. Vi tager flere bevægelser, beregner wavelet-overfladen for hver, gennemsnit dem og får et lyst billede. Vi tager en bevægelse, tæller dens wavelet-overflade og ser ingenting. Vi forstår ikke noget, fordi denne bevægelse er en meget subtil effekt.
Se også:
Se hvordan sommeren ser ud på Saturn
Der var et foto af, hvordan ørkenstøv "flyder" ind i Atlanterhavet
Se hvad Hubbles efterfølger-teleskop kan se i rummet