Elena Pitsik— Junior Research Fellow, Labor für Neurowissenschaften und kognitive Technologien, Universität
Die Verbindung zwischen Computer und Gehirn
Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle ist ein System, das die Interaktion zwischen dem Gehirn und dem Computer ermöglicht.Es öffnet einen Kommunikationskanal zwischen dem Gehirn undComputer und ermöglicht es ihnen, Informationen miteinander auszutauschen. Das einfachste Beispiel ist die Generierung von Befehlen für ein externes Gerät unter Verwendung der Gehirnaktivität. Ein externes Gerät kann ein Computer, eine Anwendung, ein Roboter, eine Drohne, eine Prothese, ein Exoskelett oder was auch immer sein. Der Umfang solcher Schnittstellen ist sehr breit.
Der wichtigste Teil der Schnittstelle ist die Technologie zur Aufzeichnung biologischer Signale vom Gehirn.Es gibt viele Technologien, die auf Schnittstellen angewendet werden können: Signale elektrischer Aktivität werden mit einem Verstärker aufgezeichnet, der als Elektroenzephalograph bezeichnet wird.Sie werden an den Server übertragen, der diese Signale verarbeitet.Sehr kleine, kompakte Schnittstellen, die Wireless-Technologie verwenden.Wenn Sie jedoch planen, die Schnittstelle in einer klinischen Umgebung zu verwenden (z. B. für die Rehabilitation nach einem Schlaganfall), möchten Sie wahrscheinlich viele Kanäle und Big Data haben.Die Verarbeitung von Big Data erfordert viele Rechenressourcen, so dass meistens ein separater Computer verwendet wird, auf dem sich eineUnd nachdem diese Software vonEs handelt sich um ein Gehirnsignal, das in Befehle für ein externes Gerät übersetzt wird und Feedback gibt.Anstelle eines klassischen Monitors kann es alles sein: von der Anwendung zur Überwachung Ihrer Stimmung bis hin zu einem Robotersteuerungssystem.
Gehirn-Computer-Schnittstellen können in drei Haupttypen unterteilt werden.Zunächst einmal handelt es sich um eine aktive neuronale Schnittstelle, was impliziert, dass der Benutzer direkt und bewusst steuertEine neuronale Schnittstelle ist die Gehirnaktivität, die der Benutzer erzeugt, liest und verarbeitetDer zweite Typ ist eine reaktive neuronale Schnittstelle.Dabei wird die Gehirnaktivität nicht bewusst vom Gehirn erzeugt, sondern durch äußere Einflüsse wie Licht, Geräusche, taktile Empfindungen und Befehle angeregt.Zum Beispiel Bilder oder Tonreize, die eine bestimmte Reaktion in unserem Kopf auslösen.Und wir können diese Reaktion nicht bewusst erzeugen, ohne einen äußeren Reiz, also brauchen wir eine Art Feedback.Die Gehirn-Computer-Schnittstelle durchsucht unser Gehirn nach dieser Reaktion auf einen äußeren Reiz und verwendetum Befehle zu generieren und ein externes Gerät zu steuern oder Feedback zu profilieren.Die dritte Art der neuronalen Schnittstelle ist die passive neuronale Schnittstelle, die am komplexesten und unverständlichsten ist, weil sie dies überhaupt nicht impliziertKeine Befehle für das externe Gerät und keine Steuerung.Die Schnittstelle sitzt passiv auf Ihnen und überwacht Ihren Zustand im Laufe der täglichen Aktivitäten.Das heißt, Sie lesen, arbeiten, fahren und die neuronale Schnittstelle überwachtEs kann verwendet werden, um Ihr Aufmerksamkeitsniveau, Ihre Konzentration, Ihre Müdigkeit und Ihre kognitive Belastung zu verfolgen und Ihnen auch Feedback zu Ihrem Zustand zu geben.
Neurorehabilitation und andere Verwendungen von Schnittstellen
Die neuronale Schnittstelle hat eine hohe gesellschaftliche Bedeutung für die Entwicklung verschiedener Rehabilitationssysteme und die Verbesserung der Lebensqualität von Menschen mit zusätzlichen Bedürfnissen.Wie zum Beispiel Menschen mit Locked-in-Person-Syndrom – sie haben jede Möglichkeit des Kontakts mit der Außenwelt verloren, aber gleichzeitig haben sie ihr Bewusstsein behalten; Es sind völlig gelähmte Menschen, die es nicht könnenSprechen, bewegen und sogar ihre Augen bewegen.Es gibt keine anderen Möglichkeiten der Kommunikation, als neuronale Schnittstellen zu nutzen, um ihre Gehirnaktivität zu lesen und in spezifische Befehle umzuwandeln.Bei diesen Befehlen kann es sich um die Spracherzeugung, die Steuerung verschiedener Anwendungen zur Aufrechterhaltung der täglichen Funktionalität sowie um die grundlegende Kommunikation mit anderen Personen handeln.Eine weniger schwere Erkrankung ist eine partielle Lähmung, z. B. bei Menschen im Rollstuhl, die nicht in der Lage sind,Gehen oder verschiedene Paresen nach einem Schlaganfall oder als Folge einer Verletzung.Im Falle einer Lähmung, wenn sie unheilbar ist, ist es möglich, die Lebensqualität einer solchen Person zu verbessern, wenn man ihr eine Art Exoskelett zur Verfügung stelltDies ist einer der beliebtesten Bereiche bei der Entwicklung neuronaler Schnittstellen.
Die beliebteste Anwendung von neuronalen Schnittstellen in der Medizin ist die Neurorehabilitation.Dies ist eine Gelegenheit, den Rehabilitationsprozess einer Person nach einer Verletzung oder einem Schlaganfall mit Hilfe des Trainings mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle zu beschleunigen, was bedeutet, dassEs gibt viele Studien, die gezeigt haben, dass solche Schnittstellen tatsächlich deutlich beschleunigenund den Rehabilitationsprozess der Menschen zu verbessern, indem sie ihre verlorenen motorischen Funktionen wiederherstellen.
In jüngster Zeit haben sich Gehirn-Computer-Schnittstellen zum Mainstream-Markt durchgesetzt und ein breiteres Publikum gewonnen.Heute können Sie eine neuronale Schnittstelle bei eBay für einen kleinen Geldbetrag kaufen, es wirdZunächst einmal werden sie verwendetNeuronale Schnittstellen werden auch sehr häufig in der Spieleindustrie eingesetzt.um verschiedene Zustände zu überwachen, wie z. B. Stimmungs- oder Schlafphasen.Eine Person entspannt sich und orientiert sich an den Ergebnissen der Überwachung ihrer Gehirnaktivität.Ähnliche Geräte werden auch verwendet, um verschiedene Systeme zum Training kognitiver Fähigkeiten wie Aufmerksamkeit, Konzentration oder kognitive Belastung zu entwickeln.Das ist ein wichtiger Bereich, weil er zum Beispiel bei der Entwicklung kognitiver Belastungssysteme für Piloten in Flugzeugen und für Lkw-Fahrer genutzt werden kann.
Was ist das Gehirn und wie können Sie seine Aktivität messen?
Du und ich sind unser Gehirn.Das Gehirn besteht aus sogenannten ZellenNeuronen. Und jedes Neuron besteht aus einem Kern, einem Körper und verschiedenen Prozessen, die seine Kommunikation mit anderen Neuronen sicherstellen – das sind Dendriten, Axone und ein Terminal (eine Fortsetzung des Axons zur Kommunikation mit anderen Neuronen – „High-Tech“). Ein Neuron ist eine ziemlich einfache Struktur, aber im Kopf gibt es Milliarden von Neuronen. Gemeinsam bilden sie ein riesiges Netzwerk, das komplexe Datensätze verarbeiten und uns als Individuen versorgen kann.
Das Gehirn ist ein Supercomputer, dh ein System, das riesige Informationsmengen verarbeiten kann.Neuronen interagieren hauptsächlich miteinanderzwei Möglichkeiten - Elektrizität und chemische Bindungen. Ein elektrisches Signal wird von einem Neuron erzeugt und über ein Axon an die Synapsen (Verbindungen zwischen Neuronen – „High-Tech“) eines anderen Neurons übertragen. Wenn ein elektrisches Signal am Ausgang eines Neurons ankommt, wird es in einige chemische Nachrichten umgewandelt, die Neurotransmitter genannt werden. Und sie werden vom Ausgang eines Neurons zum Eingang eines anderen Neurons übertragen, das sie wiederum empfängt, verarbeitet, in ein elektrisches Signal umwandelt und entlang dieser Kette weiterleitet. Ein Neuron kann entweder ein elektrisches Signal empfangen und durch sich selbst weiterleiten oder es löschen, aber nicht empfangen und die Kette unterbrechen. Jede unserer Aktivitäten bildet ein Netzwerk von Neuronen, die kontinuierlich blinken und ein bestimmtes Muster bilden, das es uns ermöglicht, viele aktive Arten menschlicher Aktivitäten zu verarbeiten.
Es gibt verschiedene Methoden, um die elektrische Aktivität des Gehirns zu messen.Erstens ist dies die magnetische Enzephalographie,Dabei werden elektromagnetische Felder gemessen, die durch elektrische Aktivität im Gehirn entstehen. Ein MEG-Gerät ist ein großes Gerät, in dem eine Person bewegungslos sitzt, da die Elektroden, die das Magnetfeld messen, nicht am Kopf angebracht sind, sondern in einiger Entfernung davon. MEG reagiert sehr empfindlich auf verschiedene äußere Störungen, darunter das Erdmagnetfeld und andere Magnetfelder, mit denen unsere gesamte Realität buchstäblich gefüllt ist. Damit MEG gut funktioniert, muss es daher in einem abgeschirmten Raum aufgestellt werden. Eine weitere Methode ist die Nahinfrarotspektroskopie. Hierbei handelt es sich um eine Neuroimaging-Technologie, die es uns ermöglicht, die im Gehirn ablaufenden Prozesse zu visualisieren. Mithilfe von Infrarotlicht wird die Konzentration von Oxy- und Desoxyhämoglobin gemessen. Das Gerät besteht aus einer Kappe, an der Zylinder befestigt sind, die eng an der Oberfläche der Kopfhaut anliegen und in zwei Typen unterteilt sind: Quelle und Detektor. Die Quelle sendet einen Lichtstrahl im Infrarotbereich aus. Dieses Licht dringt durch die Haut, den Schädel und die obere Schicht der Großhirnrinde, das Gehirn. Es gelangt durch die Kopfhaut, kehrt zur Oberfläche zurück und wird vom Detektor erfasst. Darüber hinaus enthält alles, was man sieht, sehr wichtige Informationen über den Sauerstoffgehalt im Blut. Wenn wir eine Aktion ausführen, beispielsweise Klopfen, wird unser Blut in der motorischen Zone mit Sauerstoff gesättigt. Wir können dies messen und als Muster definieren. Die nächste Technologie ist die Elektroenzephalographie, die effektivste davon. Es kann in einer neuronalen Schnittstelle verwendet werden, da es relativ kostengünstig und recht einfach ist. Ich setzte eine Kappe auf, drehte die Elektroden, schmierte sie mit Paste ein – und sie funktionierten. Eine EEG-Anlage – ein Elektroenzephalograph – ist auch ein Hut, der einer Person auf den Kopf gesetzt wird. Es ist notwendig, die Elektroden fester an den Kopf der Person zu drücken und sie richtig zu positionieren.
Warum sollten neuronale Schnittstellen in das Gehirn eingebettet werden?
Elektroenzephalographen sind anders.Sie schreiben Signale mit unterschiedlichen Auflösungen und habenunterschiedliche Anzahl von Kanälen. Es gibt auch zwei Arten von EEGs. Grundsätzlich gibt es invasive und nicht-invasive EEGs. Bei einem invasiven EEG handelt es sich um eine Operation, bei der Ihr Schädel geöffnet und Elektroden direkt auf der Oberfläche Ihres Gehirns platziert werden. Es ist klar, dass diese Technologie beim Menschen nicht angewendet wird. Es wird hauptsächlich in der Tierwissenschaft zur Untersuchung ihrer Aktivität verwendet, die der menschlichen Aktivität sehr ähnlich ist. Das EEG-Signal, das direkt von der Oberfläche des Kortex und einer sehr kleinen Gruppe von Neuronen gelesen wird, weist eine bessere Leistung als nicht-invasive Technologie auf. Weil es frei von verschiedenen Artefakten ist, die für das EEG charakteristisch sind.
Es gibt Bereiche, in denen invasive Schnittstellen sehr wichtig sind und in der Tat die einzige Technologie, die den Zustand einer Person lindern kann.Dies ist zum Beispiel Epilepsie.Unser Labor untersucht eine Art von Epilepsie, die als Abwesenheitsepilepsie bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um Epilepsie, die nicht mit Anfällen einhergeht. Während eines Angriffs verspürt ein Mensch keine Krämpfe, er trennt sich einfach für eine Weile von der Welt. Und er weiß nichts davon, dass er keine Verbindung hat. Auch dieser Zustand ist sehr gefährlich, obwohl es außer der Tatsache, dass sich die Person von der Realität abgekoppelt hat, keine äußeren Anzeichen gibt. Weil er beispielsweise nicht weiß, dass er an Absence-Epilepsie leidet, und beim Autofahren ohnmächtig wird. Daher ist es auch sehr wichtig, alle Angriffe zu verhindern, und die Schnittstelle kann dies verhindern. Wenn ein Mensch einen Anfall hat, werden zunächst verschiedene Gehirnrhythmen synchronisiert – das ist sehr leicht zu erkennen. Darüber hinaus geht einem Angriff eine bestimmte Art von Aktivität voraus – einige Zeit vor dem Angriff können wir bestimmen, was als nächstes passieren wird. Wenn die neuronale Schnittstelle dies erkennt, kann sie Impulse an das Gehirn senden, die dabei helfen, diesen Angriff zu unterdrücken. Gleichzeitig wird eine Person, die dieses Interface regelmäßig trägt, nichts spüren und nicht wissen, dass sie kurz vor einem Anfall steht.
Neuralink Elona Musk unterscheidet sich von andereninvasive Neurointerfaces, bei denen sich die Elektroden, die das EEG schreiben, auf sehr dünnen Filamenten befinden (dünner als ein menschliches Haar), und viele Elektroden auf einem Filament befinden.Es ist möglich, bis zu 3.000 Elektroden aufzuzeichnen.Das ist eine riesige Datenmenge. Da sie sich in der Großhirnrinde befinden, sind sie sehr klein und schreiben ein Signal von einer kleinen Gruppe von Neuronen. Auf diese Weise können wir sehr subtile Aktivitäten erfassen.
Die Technologie von Mask löst teilweise das Problem, das bei der Verwendung der nicht-invasiven EEG-Feldausbreitung (von der englischen "elektrischen Feldstärke" - "High-Tech") häufig auftritt.Wenn wir ein nicht-invasives EEG schreiben, überlagern wir esElektrode am Kopf und zeichnet Daten einer großen Gruppe von Neuronen auf. Es erzeugt ein allgemeines Energiefeld. Elektrische Felder verschiedener Neuronen überlappen und stören sich gegenseitig. Wenn wir also eine bestimmte Art von Aktivität schreiben, haben wir tatsächlich viele verschiedene Aktivitäten, was die Verarbeitung beeinträchtigt. Und ein sehr großes Problem bei allen invasiven Schnittstellen besteht darin, dass unser Körper nicht möchte, dass Fremdkörper in ihn hineingeschoben werden.
Ein nicht-invasives EEG ist ein EEG, das wir kontinuierlich verwenden.Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um aufgesetzte ElektrodenOberfläche des Kopfes mit einer Kappe. Jede Elektrode zeichnet die Aktivität einer bestimmten Gruppe von Neuronen auf. Die Lage der Elektroden ist sehr wichtig, da sie einen großen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis hat.
Ein Elektroenzephalogramm ist ein elektrisches Signal.Die Verarbeitung dieses Signals ist eine Aufgabe der Radiophysik.Wir können herkömmliche Analysetechniken verwenden, um Merkmale dieses Signals zu isolieren. Unsere Aufgabe ist es, bestimmte Muster hervorzuheben, die dieser Bewegung entsprechen.
Die Hauptschwierigkeiten bei der Erstellung neuronaler Schnittstellen
Warum ist es so schwierig, eine neuronale Schnittstelle zu erstellen?Denn das sind sehr schwierige Aufgaben:EEG verarbeiten und Muster erkennen. Sie erfordern einen integrierten und sorgfältigen Ansatz. Erstens, weil jeder Mensch individuell ist, genau wie sein Gehirn. Sogar homozygote Zwillinge haben sehr unterschiedliche Gehirne, wie Fingerabdrücke. Wir können kein universelles System schaffen, das für alle Menschen gleich funktioniert. Es muss für jeden angepasst, kalibriert und ständig geändert werden. Der nächste Grund sind die Besonderheiten der Aufgabe. Jede Person kann dieselbe Aufgabe anders ausführen und unterschiedliche Aktivitäten ansammeln. Auch die Platzierung von Sensoren ist ein menschlicher Faktor. In verschiedenen Experimenten können die Sensoren etwas anders positioniert sein, aber das ist auch sehr wichtig, da sie eine unterschiedliche Aktivität aufzeichnen. Ein weiterer Grund ist die instationäre Dynamik des Gehirns auf allen Zeitskalen. Das bedeutet, dass es sich auf allen Zeitskalen ständig ändert. Wir können einen großen Teil des EEG-Signals nehmen und ihn in Sekunden zerlegen, und jede Sekunde wird anders sein. Das Gehirn verändert sich ständig, entwickelt sich weiter und passt sich seiner äußeren Umgebung an. Ein wichtiges Problem ist der hohe Rauschpegel bei EEG-Aufzeichnungen und Artefakten. Da wir Elektroden auf der Oberfläche der Kopfhaut platzieren, befinden sich darunter, zwischen Haut und Schädel, Muskelfasern, die arbeiten, sich bewegen und motorische Artefakte im EEG-Signal erzeugen. Darüber hinaus bewegen wir ständig unsere Augen, blinzeln und all dies gibt auch eine Orientierung für das EEG, das nicht nur auf den Kanälen auf der Stirn, sondern auch auf dem Hinterkopf sichtbar ist. Außerdem schlägt unser Herz. Bei fast allen Menschen sind Herzartefakte im EEG vorhanden. Sie entstehen durch das Pulsieren des Blutes in den Gefäßen unter der Haut.
Es gibt coole Methoden, die uns helfen, alle Artefakte loszuwerden.Sie können Artefakte entfernen oder filtern.Es gibt Methoden, mit denen Sie Komponenten entfernen können, die dem Herzschlag und okulomotorischen Artefakten entsprechen, und das EEG-Signal in dem von uns benötigten Bereich filtern. Als Signalanalyseverfahren kommt dann die Zeit-Frequenz-Analyse zum Einsatz. Wir bewerten die Energie jedes Rhythmus und sehen, welcher eine gewisse Dynamik enthält, die mit dem von uns gesuchten Effekt verbunden ist. Die Zeit-Frequenz-Analyse umfasst Wavelets, Fourier-Analyse usw.
Der nächste Schritt besteht darin, funktionelle Verbindungen zwischen verschiedenen Bereichen des Gehirns herzustellen.Wenn wir etwas tun (wir bewegen unsere Hände,Stellen Sie sich Handbewegungen vor) interagieren unsere Gehirnregionen entweder synchron oder desynchron. Bei dieser Interaktion beeinflussen sie sich gegenseitig. Basierend auf diesen Einflüssen ist es möglich, ein Netzwerk funktioneller Verbindungen aufzubauen, das beschreibt, welche Verbindungen gestärkt und welche geschwächt werden, und daraus können wir Rückschlüsse darauf ziehen, wie unsere Aktivität von Neuronen auf einer Skala von aufgebaut und verarbeitet wird das gesamte Gehirn. Künstliche neuronale Netze sind hier am vielversprechendsten, da sie schnell arbeiten und auf einem biologischen Modell von Neuronen basieren.
Das EEG-Signal ist eine komplexe Struktur mit vielen Komponenten, aber seine Komplexität ändert sich im Laufe der Zeit und je nachdem, was wir tun.Aus der Dynamik dieser Komplexität können wir das verstehenpassiert, bewerten Sie es, klassifizieren Sie es und erstellen Sie auf dieser Grundlage eine Art Klassifikator. Ein konkretes Beispiel ist die Entfernung von Artefakten. Nehmen wir an, wir haben ein Mehrkanal-EEG-Signal und es zeigt Artefakte, die auf fast allen Kanälen zu Störungen führen. Und sie sehen aus wie okulomotorische Artefakte. Sie werden mit der unabhängigen Komponentenmethode entfernt. Jedes Signal wird in mehrere Komponenten zerlegt, die jeweils eigene Informationen enthalten. Einer von ihnen enthält etwas, das wir im Signal nicht brauchen – genau dieses okulomotorische Artefakt. Wir nehmen es und werfen es weg. Wir erhalten ein sauberes, informativeres Signal, das enthält, was wir brauchen. Filtration ist eine grundlegende Sache.
Ein Signal kann in verschiedenen Frequenzbereichen gefiltert werden.Alpha-Rhythmus (8–14 Hz) und Beta-Rhythmus (15–30 Hz) –Dies sind die beiden Gehirnrhythmen, die beiden Frequenzkomponenten, die die meisten Informationen darüber enthalten, wie das Gehirn motorische Aktivität verarbeitet. Wenn wir imaginäre oder reale Bewegungen klassifizieren wollen, greifen wir auf den Alpha- und Beta-Rhythmus zurück und suchen auf diesen nach einem Muster.
Das Finden eines Musters ist eine Klassifizierungsaufgabe.Wir können uns das Muster ansehenVerwenden Sie die Methode der Zeit-Frequenz-Analyse. Das Muster ist die motorische Aktivität im EEG, und das am häufigsten genannte ist eine ereignisbedingte Desynchronisation. Wir nehmen die Aktivität des Alpha-Rhythmus. Es enthält viele Informationen darüber, wie wir uns bewegen. Diese Informationen sind wie folgt: Wenn wir eine Bewegung ausführen, verringert sich die Anzahl der Neuronen, die an der Informationsverarbeitung beteiligt sind. Dadurch wird der Alpha-Rhythmus unterdrückt. Seine Amplitude nimmt ab und es wird weniger Energie erzeugt. Diese Unterdrückung des Alpha-Rhythmus setzt sich während der gesamten Bewegung fort. Wenn wir sehen, dass der Alpha-Rhythmus abgefallen ist, können wir sagen, dass in diesem Moment Bewegung stattgefunden hat. Zum Beispiel ballt eine Person ihre Hand zur Faust. Der Alpha-Rhythmus sinkt, seine Energie nimmt ab. Er desynchronisiert und wir können es sehen. Dann öffnet die Person ihre Hand und der Alpha-Rhythmus wird wiederhergestellt und kehrt in seinen Normalzustand zurück. Das ganze Problem besteht darin, dass die Desynchronisation in den gemittelten Daten deutlich sichtbar ist. Wir nehmen mehrere Bewegungen vor, berechnen für jede die Wavelet-Oberfläche, mitteln sie und erhalten ein helles Bild. Wir machen eine Bewegung, zählen die Wavelet-Oberfläche und sehen nichts. Wir verstehen nichts, weil diese Bewegung ein sehr subtiler Effekt ist.
Siehe auch:
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Es gab ein Foto davon, wie Wüstenstaub in den Atlantik "fließt"
Sehen Sie, was Hubbles Nachfolgeteleskop im Weltraum sehen kann