Elena Pitsik– Universiteto Neurologijos ir kognityvinių technologijų laboratorijos jaunesnysis mokslo darbuotojas
Ryšys tarp kompiuterio ir smegenų
Smegenų ir kompiuterio sąsaja yra sistema, kuri leidžia sąveikauti tarp smegenų ir kompiuterio.Tai atveria ryšio tarp smegenų irkompiuteriu ir leidžia keistis informacija tarpusavyje. Paprasčiausias pavyzdys yra komandų generavimas išoriniam įrenginiui, naudojant smegenų veiklą. Išorinis įrenginys gali būti kompiuteris, aplikacija, robotas, dronas, protezas, egzoskeletas ar bet kas. Tokių sąsajų taikymo sritis yra labai plati.
Svarbiausia sąsajos dalis yra biologinių signalų iš smegenų įrašymo technologija.Gali būti daug technologijųtaikyti sąsajose. Elektrinio aktyvumo signalai registruojami naudojant stiprintuvą – elektroencefalografą. Jie perduodami į serverį, kuris apdoroja šiuos signalus. Yra labai mažų, kompaktiškų sąsajų, kuriose naudojama belaidė technologija. Tiesiogine prasme yra vienas mažas lustas. Bet jei planuojate naudoti sąsają klinikinėje aplinkoje (pvz., reabilitacijai po insulto), tikriausiai norite turėti daug kanalų ir didelių duomenų. Didžiųjų duomenų apdorojimas reikalauja daug skaičiavimo resursų, todėl dažniausiai naudojamas atskiras kompiuteris su specialia programine įranga. Šiai programinei įrangai apdorojus smegenų signalą, jis paverčiamas komandomis išoriniam įrenginiui, suteikiančiomis grįžtamąjį ryšį. Vietoj klasikinio monitoriaus gali būti bet kas: nuo jūsų nuotaikos stebėjimo programos iki roboto valdymo sistemos.
Smegenų ir kompiuterio sąsajas galima suskirstyti į tris pagrindinius tipus.Pirma, tai yra aktyvi neuroninė sąsaja, kurireiškia, kad vartotojas tiesiogiai ir sąmoningai valdo išorinį įrenginį arba programą. Neurointerfeisas yra smegenų veikla, kurią vartotojas generuoja, skaito, apdoroja ir paverčia komandomis. Antrasis tipas yra reaktyvioji neuroninė sąsaja. Joje smegenų veiklą smegenys gamina ne sąmoningai, o skatina išorinės įtakos – šviesa, garsas, lytėjimo pojūčiai, komandos. Pavyzdžiui, vaizdai ar garso stimuliacija, sukelianti tam tikrą mūsų proto reakciją. Ir mes negalime sąmoningai sugeneruoti šio atsakymo, be išorinio stimulo, todėl mums reikia tam tikro grįžtamojo ryšio. Smegenų ir kompiuterio sąsaja ieško šio atsako į išorinį dirgiklį mūsų smegenyse ir naudoja jį komandoms generuoti ir išoriniam įrenginiui valdyti arba profiliuoti grįžtamąjį ryšį. Trečiasis neuronų sąsajos tipas yra pasyvioji neuroninė sąsaja. Sudėtingiausia ir nesuprantamiausia, nes nereikia generuoti jokių komandų išoriniam įrenginiui ir visai nevaldyti. Ši sąsaja pasyviai sėdi ant jūsų ir stebi jūsų būklę kasdienės veiklos metu. Tai yra, jūs skaitote, dirbate, vairuojate automobilį, o neuroninė sąsaja jus stebi. Jis gali būti naudojamas stebėti dėmesio lygį, susikaupimą, nuovargį, pažinimo krūvį, taip pat pateikti atsiliepimų apie jūsų būklę.
Neuroreabilitacija ir kiti sąsajų naudojimo būdai
Neurointerfeisas turi didelę socialinę reikšmę kuriant įvairias reabilitacijos sistemas ir gerinant papildomų poreikių turinčių žmonių gyvenimo kokybę.Tokie kaip žmonės, turintys užsidarymo sindromą,jie prarado visas galimybes susisiekti su išoriniu pasauliu, bet kartu išlaikė sąmonę; Tai visiškai paralyžiuoti žmonės, kurie negali kalbėti, judėti ar net pajudinti akių. Taigi jie neturi kitų bendravimo galimybių, išskyrus neuroninių sąsajų naudojimą, kad nuskaitytų savo smegenų veiklą ir paverstų ją konkrečiomis komandomis. Šios komandos gali būti kalbos generavimas, įvairių programų valdymas, siekiant išlaikyti kasdienį funkcionalumą, taip pat užtikrinti pagrindinį bendravimą su kitais žmonėmis. Ne tokia sunki būklė yra dalinis paralyžius. Pavyzdžiui, neįgaliojo vežimėlyje sėdintiems žmonėms, kurie negali vaikščioti, arba įvairioms parezėms po insulto ar dėl traumos. Esant paralyžiui, jei jis nepagydomas, tai tokio žmogaus gyvenimo kokybę galima pagerinti suteikus jam kokį nors egzoskeletą ar ortozę, kurią būtų galima valdyti naudojant nervinę sąsają. Tai viena iš populiariausių neuronų sąsajų kūrimo sričių.
Populiariausias neuronų sąsajų pritaikymas medicinoje yra neuroreabilitacija.Tai galimybė pagreitinti reabilitacijos procesąasmuo po traumos ar insulto, treniruojantis su „smegenų ir kompiuterio“ sąsaja, kuri apima motorinės veiklos palaikymą, tai yra įsivaizduojamų judesių seriją. Yra daug tyrimų, kurie įrodė, kad tokios sąsajos tikrai ženkliai pagreitina ir pagerina žmonių reabilitacijos procesą, atstatant prarastas motorines funkcijas.
Neseniai smegenų ir kompiuterio sąsajos pasklido pagrindinėje rinkoje ir sulaukė platesnės auditorijos.Šiandien neuroninę sąsają galima įsigyti „eBay“.nedideli pinigai, tai kainuos net mažiau nei išmanusis telefonas. Visų pirma, jie naudojami pramogoms – žaidimų industrijoje. Taip pat labai dažnai neuroninės sąsajos naudojamos įvairioms būsenoms – nuotaikai ar miego fazėms – stebėti. Meditacijos neuroninės sąsajos padeda žmogui atsipalaiduoti ir vadovauja jam pagal jo smegenų veiklos stebėjimo rezultatus. Panašūs įrenginiai taip pat naudojami kuriant įvairias pažintinių įgūdžių – dėmesio, koncentracijos ar pažinimo krūvio – lavinimo sistemas. Tai svarbi sritis, nes ją galima panaudoti, pavyzdžiui, kuriant lėktuvų pilotų ir sunkvežimių vairuotojų pažintinės apkrovos sistemas.
Kas yra smegenys ir kaip galite įvertinti jų veiklą
Jūs ir aš esame mūsų smegenys.Smegenys sudarytos iš ląstelių, vadinamųneuronai. Ir kiekvieną neuroną sudaro branduolys, kūnas ir įvairūs procesai, užtikrinantys jo ryšį su kitais neuronais - tai dendritai, aksonai ir terminalas (aksono tęsinys ryšiui su kitais neuronais - „High-Tech“). Vienas neuronas yra gana paprasta struktūra, tačiau galvoje yra milijardai neuronų. Taigi kartu jie sukuria didžiulį tinklą, galintį apdoroti sudėtingus duomenų rinkinius ir aprūpinti mus kaip asmenis.
Smegenys yra superkompiuteris, tai yra sistema, galinti apdoroti didžiulį informacijos kiekį.Neuronai daugiausia sąveikauja vienas su kitudu būdai – elektros ir cheminiai ryšiai. Elektrinį signalą gamina neuronas ir per aksoną perduoda į kito neurono sinapses (jungtys tarp neuronų – „High-Tech“). Kai elektrinis signalas patenka į vieno neurono išvestį, jis paverčiamas tam tikrais cheminiais pranešimais, vadinamais neurotransmiteriais. Ir jie perduodami iš vieno neurono išvesties į kito įvestį, kuris, savo ruožtu, juos priima, apdoroja, paverčia elektriniu signalu ir perduoda toliau šia grandine. Neuronas gali priimti ir perduoti elektros signalą per save arba jį užgesinti, nepriimti ir nutraukti grandinę. Bet kuri mūsų veikla sudaro neuronų tinklą, kuris nuolat mirksi, sudarydamas tam tikrą modelį, leidžiantį apdoroti daugybę aktyvių žmogaus veiklos rūšių.
Yra keletas būdų, kaip išmatuoti smegenų elektrinį aktyvumą.Pirma, tai yra magnetinė encefalografija,kuri apima elektromagnetinių laukų, atsirandančių dėl elektrinio aktyvumo smegenyse, matavimą. MEG aparatas yra didelis prietaisas, kuriame žmogus sėdi nejudėdamas, nes elektrodai, nuskaitantys magnetinį lauką, yra ne ant galvos, o yra tam tikru atstumu nuo jos. MEG yra labai jautrus įvairiems išoriniams trukdžiams, įskaitant žemės magnetinį lauką ir kitus magnetinius laukus, kuriais tiesiogine prasme užpildyta visa mūsų tikrovė. Todėl, kad MEG veiktų gerai, jis turi būti patalpintas ekranuotoje patalpoje. Kitas metodas yra artimųjų infraraudonųjų spindulių spektroskopija. Tai neurovaizdo technologija, leidžianti vizualizuoti smegenyse vykstančius procesus. Jis naudoja infraraudonąją šviesą oksi- ir deoksihemoglobino koncentracijai matuoti. Prietaisas susideda iš dangtelio, prie kurio pritvirtinti cilindrai, tvirtai besiribojantys su galvos odos paviršiumi ir suskirstyti į du tipus - šaltinį ir detektorių. Šaltinis skleidžia šviesos spindulį infraraudonųjų spindulių diapazone. Ši šviesa praeina per odą, kaukolę ir viršutinį žievės sluoksnį, tai yra, smegenis. Jis praeina, grįžta atgal į galvos odos paviršių ir sugaunamas detektoriaus. Be to, viskas, ką galima pamatyti, neša labai svarbią informaciją apie deguonies kiekį kraujyje. Kai atliekame veiksmą, pavyzdžiui, bakstelėdami, mūsų kraujas motorinėje zonoje prisotinamas deguonimi. Mes galime tai išmatuoti ir apibrėžti kaip modelį. Kita technologija yra elektroencefalografija, efektyviausia iš jų. Jis gali būti naudojamas neuroninėje sąsajoje, nes yra palyginti nebrangus ir gana paprastas. Užsidėjau dangtelį, pasukau elektrodus, sutepiau pasta – ir pavyko. EEG įrenginys – elektroencefalografas – taip pat yra kepurė, dedama žmogui ant galvos. Reikia tvirčiau prispausti elektrodus prie žmogaus galvos ir tinkamai juos padėti.
Kodėl smegenyse būtų įterptos nervinės sąsajos
Elektroencefalografai yra skirtingi.Jie rašo signalus skirtingos raiškos ir turiskirtingas kanalų skaičius. EEG taip pat būna dviejų tipų. Iš esmės yra invazinis ir neinvazinis EEG. Invazinis EEG apima operaciją, kuria siekiama atidaryti kaukolę ir įdėti elektrodus tiesiai ant smegenų paviršiaus. Akivaizdu, kad ši technologija žmonėms nenaudojama. Jis daugiausia naudojamas gyvūnų moksle tiriant jų veiklą, kuri labai panaši į žmogaus veiklą. EEG signalas, nuskaitomas tiesiai iš žievės paviršiaus ir labai mažos neuronų grupės, pasižymi geresniu našumu, palyginti su neinvazine technologija. Nes jame nėra įvairių artefaktų, būdingų EEG.
Yra sričių, kuriose invazinės sąsajos yra labai svarbios ir iš tikrųjų vienintelės technologijos, kurios gali palengvinti asmens būklę.Pavyzdžiui, tai yra epilepsija.Mūsų laboratorija tiria epilepsijos tipą, vadinamą nebuvimo epilepsija. Tai epilepsija, nesusijusi su traukuliais. Žmogus priepuolio metu nepatiria traukulių, jis tiesiog kuriam laikui atsijungia nuo pasaulio. Ir jis apie tai nežino, kad yra atsijungęs. Ši būklė taip pat labai pavojinga, nepaisant to, kad nėra jokių išorinių apraiškų, išskyrus tai, kad žmogus atsijungė nuo realybės. Nes jis, pavyzdžiui, gali nežinoti, kad serga absansine epilepsija, ir apalpti vairuodamas. Todėl taip pat labai svarbu užkirsti kelią visoms atakoms, o sąsaja gali to išvengti. Kai žmogų ištinka priepuolis, pirmiausia sinchronizuojasi skirtingi smegenų ritmai – tai labai lengva pagauti. Be to, prieš ataką atliekama tam tikra veikla – šiek tiek laiko iki atakos galime nustatyti, kas bus toliau. Kai neuroninė sąsaja tai aptinka, ji gali siųsti impulsus į smegenis, kurie padeda slopinti šį priepuolį. Tuo pačiu metu žmogus, kuris reguliariai nešiojasi šią sąsają, nieko nejaus ir nežinos, kad jį kaip tik ištiko priepuolis.
„Neuralink Ilona“ kaukė skiriasi nuo kitųinvazinės neurologinės sąsajos tuo, kad elektrodai, rašantys EEG, yra ant labai plonų gijų (plonesnių nei žmogaus plaukai), o daugybė elektrodų yra ant vieno siūlelio.Galima įrašyti iki 3 tūkstančių elektrodų.Tai didžiulis duomenų kiekis. Atsižvelgiant į tai, kad jie yra ant žievės, jie yra labai maži ir rašo signalą iš nedidelės neuronų grupės. Taip galime pagauti labai subtilią veiklą.
Musko technologija iš dalies išsprendžia problemą, kuri yra plačiai paplitusi naudojant neinvazinį EEG - lauko išplitimas (iš anglų kalbos „elektrinio lauko stiprumas“ - „Hi-tech“).Kai rašome neinvazinį EEG, mes uždedameelektrodas ant galvos, ir jis įrašo iš didelės grupės neuronų. Jis sukuria bendrą energijos lauką. Elektriniai laukai iš skirtingų neuronų persidengia ir trukdo vienas kitam. Taigi, kai rašome tam tikros rūšies veiklą, iš tikrųjų turime daug skirtingų veiklų, kurios trukdo apdoroti. Ir labai didelė visų invazinių sąsajų problema yra ta, kad mūsų kūnas nenori, kad į jį patektų svetimkūniai.
Neinvazinis EEG yra EEG, kurį naudojame nuolat.Iš esmės tai yra elektrodaigalvos paviršius su dangteliu. Kiekvienas elektrodas registruoja tam tikros neuronų grupės veiklą. Elektrodų vieta yra labai svarbi, nes ji labai įtakoja apdorojimo rezultatą.
Elektroencefalograma yra elektrinis signalas.Šio signalo apdorojimas yra radiofizikos uždavinys.Norėdami išskirti šio signalo ypatybes, galime naudoti įprastus analizės metodus. Mūsų užduotis – išryškinti tam tikrus šablonus, atitinkančius šį judėjimą.
Pagrindiniai sunkumai kuriant nervines sąsajas
Kodėl taip sunku sukurti neuroninę sąsają?Nes tai labai sunkios užduotys:apdoroti EEG ir nustatyti modelius. Jiems reikalingas integruotas ir kruopštus požiūris. Pirma, todėl, kad kiekvienas žmogus yra individualus, kaip ir jo smegenys. Net homozigotinių dvynių smegenys labai skiriasi, pavyzdžiui, pirštų atspaudai. Negalime sukurti vienos universalios sistemos, kuri veiktų visiems žmonėms vienodai. Jį reikia reguliuoti, kalibruoti ir nuolat keisti kiekvienam. Kita priežastis – užduoties specifika. Kiekvienas žmogus tą pačią užduotį gali atlikti skirtingai ir kaupti skirtingas veiklas. Jutiklių išdėstymas taip pat yra žmogiškasis veiksnys. Atliekant skirtingus eksperimentus, jutikliai gali būti išdėstyti šiek tiek skirtingai, tačiau tai taip pat labai svarbu, nes jie parašys skirtingą veiklą. Kita priežastis – nestacionari smegenų dinamika visomis laiko skalėmis. Tai reiškia, kad jis nuolat kinta visose laiko skalėse. Galime paimti didelį EEG signalo gabalėlį, suskaidyti jį į sekundes ir kiekviena sekundė bus skirtinga. Smegenys nuolat keičiasi, vystosi ir prisitaiko prie išorinės aplinkos. Svarbi problema yra didelis triukšmo lygis EEG įrašuose ir artefaktuose. Kadangi elektrodus dedame ant galvos odos paviršiaus, o po juo, tarp odos ir kaukolės, yra raumenų skaidulos, kurios veikia, juda ir sukuria tam tikrus motorinius artefaktus pagal EEG signalą. Be to, mes nuolat judiname akis, mirksime, o visa tai taip pat nukreipia EEG, kuris matomas ne tik ant kaktos esančių kanalų, bet ir pakaušyje. Be to, mūsų širdis plaka. Širdies artefaktų EEG yra beveik visiems žmonėms. Jie atsiranda dėl kraujo pulsavimo po oda esančiuose induose.
Yra puikių metodų, kurie padeda mums atsikratyti visų artefaktų.Galite pašalinti artefaktus arba juos filtruoti.Yra metodų, kurie leidžia pašalinti komponentus, atitinkančius širdies plakimą, okulomotorinius artefaktus ir filtruoti EEG signalą mums reikalingame diapazone. Toliau kaip signalų analizės metodas naudojama laiko ir dažnio analizė. Įvertiname kiekvieno ritmo energiją ir matome, kuriame iš jų yra tam tikra dinamika, susijusi su mūsų ieškomu efektu. Laiko ir dažnio analizė apima bangeles, Furjė analizę ir kt.
Kitas žingsnis - nustatyti funkcinius ryšius tarp skirtingų smegenų sričių.Kai ką nors darome (judiname rankas,įsivaizduokite rankų judesius), mūsų smegenų sritys sąveikauja arba sinchroniškai, arba desinchroniškai. Šios sąveikos metu jie daro įtaką vienas kitam. Remiantis šiomis įtakomis, galima sukurti funkcinių ryšių tinklą, nurodantį, kurie ryšiai stiprėja, o kurie susilpnėja, ir remiantis tuo galime padaryti išvadą, kaip mūsų veikla yra kuriama ir apdorojama neuronų mastu. visos smegenys. Dirbtiniai neuroniniai tinklai čia yra perspektyviausi, nes jie veikia greitai ir yra pagrįsti biologiniu neuronų modeliu.
EEG signalas yra sudėtinga struktūra, turinti daug komponentų, tačiau jo sudėtingumas keičiasi laikui bėgant ir priklausomai nuo to, ką darome.Iš šio sudėtingumo dinamikos galime tai suprastinutinka, įvertinkite, suskirstykite ir pagal tai padarykite kažkokį klasifikatorių. Konkretus pavyzdys yra artefaktų pašalinimas. Tarkime, kad turime kelių kanalų EEG signalą ir jis rodo artefaktus, kurie trukdo beveik visuose kanaluose. Ir jie atrodo kaip okulomotoriniai artefaktai. Jie pašalinami naudojant nepriklausomo komponento metodą. Kiekvienas signalas yra suskaidytas į keletą komponentų, kuriuose yra jų pačių informacija. Viename iš jų signale yra kažkas, ko mums nereikia – tai labai okulomotorinis artefaktas. Imame ir išmetame. Gauname švarų, informatyvesnį signalą, kuriame yra tai, ko mums reikia. Filtravimas yra pagrindinis dalykas.
Vienas signalas gali būti filtruojamas skirtingais dažnių diapazonais.Alfa ritmas (8–14 Hz) ir beta ritmas (15–30 Hz) -Tai yra du smegenų ritmai, du dažnio komponentai, kuriuose yra daugiausia informacijos apie tai, kaip smegenys apdoroja motorinę veiklą. Jei norime suskirstyti įsivaizduojamus ar tikrus judesius, atsigręžiame į alfa ir beta ritmą ir ieškome ant jų šablono.
Šablono radimas yra klasifikavimo užduotis.Norėdami pažvelgti į modelį, galimenaudoti laiko ir dažnio analizės metodą. Šis modelis yra motorinis aktyvumas EEG, o dažniausiai minimas su įvykiais susijusi desinchronizacija. Imame alfa ritmo veiklą. Jame yra daug informacijos apie tai, kaip mes judame. Ši informacija yra tokia: kai darome judesį, sumažėja neuronų, dalyvaujančių informacijos apdorojime, skaičius. Taigi alfa ritmas yra slopinamas. Jo amplitudė mažėja ir generuoja mažiau energijos. Šis alfa ritmo slopinimas tęsiasi viso judesio metu. Jei matome, kad alfa ritmas sumažėjo, galime sakyti, kad tuo momentu įvyko judėjimas. Pavyzdžiui, žmogus suspaudžia ranką į kumštį. Alfa ritmas krenta, jo energija mažėja. Jis desinchronizuojasi ir mes tai matome. Tada žmogus ištiesia ranką, o alfa ritmas atsistato ir grįžta į įprastą būseną. Visa problema ta, kad desinchronizacija aiškiai matoma suvidurkintuose duomenyse. Paimame kelis judesius, apskaičiuojame kiekvieno bangelės paviršių, suvidurkiname juos ir gauname ryškų vaizdą. Paimame vieną judesį, suskaičiuojame jo bangelės paviršių ir nieko nematome. Mes nieko nesuprantame, nes šis judėjimas yra labai subtilus efektas.
Taip pat žiūrėkite:
Pažiūrėkite, kaip vasara atrodo Saturne
Buvo nuotrauka, kaip dykumos dulkės „teka“ Atlanto vandenyne
Pažiūrėkite, ką „Hablo“ įpėdinis gali pamatyti kosmose