Jeļena Pitsika— Jaunākais pētnieks Universitātes Neirozinātņu un kognitīvo tehnoloģiju laboratorijā
Savienojums starp datoru un smadzenēm
Smadzeņu un datora saskarne ir sistēma, kas nodrošina mijiedarbību starp smadzenēm un datoru.Tas atver saziņas kanālu starp smadzenēm undatoru un ļauj viņiem savstarpēji apmainīties ar informāciju. Vienkāršākais piemērs ir komandu ģenerēšana ārējai ierīcei, izmantojot smadzeņu darbību. Ārēja ierīce var būt dators, lietojumprogramma, robots, drons, protēze, eksoskelets vai jebkas cits. Šādu saskarņu darbības joma ir ļoti plaša.
Vissvarīgākā saskarnes sastāvdaļa ir tehnoloģija bioloģisko signālu ierakstīšanai no smadzenēm.Ir daudz tehnoloģiju, kas var būtlietot saskarnēs. Elektriskās aktivitātes signālus reģistrē, izmantojot pastiprinātāju - elektroencefalogrāfu. Tie tiek pārsūtīti uz serveri, kas apstrādā šos signālus. Ir ļoti mazas, kompaktas saskarnes, kurās tiek izmantota bezvadu tehnoloģija. Ir burtiski viena maza mikroshēma. Bet, ja plānojat izmantot saskarni klīniskā vidē (piemēram, rehabilitācijai pēc insulta), iespējams, vēlaties, lai jums būtu daudz kanālu un lielu datu. Lielo datu apstrāde prasa daudz skaitļošanas resursu, tāpēc visbiežāk tiek izmantots atsevišķs dators ar speciālu programmatūru. Un pēc tam, kad šī programmatūra apstrādā smadzeņu signālu, tas tiek pārveidots par komandām ārējai ierīcei, nodrošinot atgriezenisko saiti. Klasiskā monitora vietā var būt jebkas: no lietojumprogrammas garastāvokļa uzraudzībai līdz robotu vadības sistēmai.
Smadzeņu un datoru saskarnes var iedalīt trīs galvenajos veidos.Pirmkārt, šī ir aktīva neironu saskarne, kasnozīmē, ka lietotājs tieši un apzināti kontrolē ārēju ierīci vai lietojumprogrammu. Neirointerfeiss ir smadzeņu darbība, ko lietotājs ģenerē, nolasa, apstrādā un pārvērš komandās. Otrais veids ir reaktīvs neironu interfeiss. Tajā smadzeņu darbību nevis producē smadzenes apzināti, bet gan stimulē ārējā ietekme – gaisma, skaņa, taustes sajūtas, komandas. Piemēram, attēli vai skaņas stimulācija, kas izraisa noteiktu reakciju mūsu prātā. Un mēs nevaram apzināti ģenerēt šo atbildi bez ārēja stimula, tāpēc mums ir vajadzīga sava veida atgriezeniskā saite. Smadzeņu un datora saskarne meklē šo reakciju uz ārēju stimulu mūsu smadzenēs un izmanto to, lai ģenerētu komandas un vadītu ārēju ierīci vai profilētu atgriezenisko saiti. Trešais neironu saskarnes veids ir pasīvā neironu saskarne. Sarežģītākais un nesaprotamākais, jo tas nav saistīts ar komandu ģenerēšanu ārējai ierīcei un vispār bez kontroles. Šī saskarne pasīvi atrodas uz jums un uzrauga jūsu stāvokli ikdienas aktivitāšu laikā. Tas ir, jūs lasāt, strādājat, braucat ar automašīnu, un neironu saskarne jūs uzrauga. To var izmantot, lai izsekotu jūsu uzmanības līmenim, fokusam, nogurumam, kognitīvajai slodzei, kā arī sniegtu atsauksmes par jūsu stāvokli.
Neirorehabilitācija un citi saskarņu izmantošanas veidi
Neirointerfeisam ir augsta sociālā nozīme dažādu rehabilitācijas sistēmu attīstībā un cilvēku ar papildu vajadzībām dzīves kvalitātes uzlabošanā.Piemēram, cilvēki ar bloķēta sindroma sindromu,viņi zaudēja visas iespējas kontaktēties ar ārpasauli, bet tajā pašā laikā saglabāja savu apziņu; Tie ir pilnīgi paralizēti cilvēki, kuri nevar runāt, kustēties vai pat pakustināt acis. Tādējādi viņiem nav citu saziņas iespēju, kā vien izmantot neironu saskarnes, lai nolasītu viņu smadzeņu darbību un pārvērstu to īpašās komandās. Šīs komandas var būt runas ģenerēšana, dažādu aplikāciju kontrole, lai uzturētu ikdienas funkcionalitāti, kā arī nodrošinātu elementāru saziņu ar citiem cilvēkiem. Mazāk smags stāvoklis ir daļēja paralīze. Piemēram, cilvēki ratiņkrēslā, kuri nevar staigāt, vai dažādas parēzes pēc insulta vai traumas rezultātā. Paralīzes gadījumā, ja tā ir neārstējama, tad šāda cilvēka dzīves kvalitāti var uzlabot, nodrošinot viņam kaut kādu eksoskeletu vai ortozi, ko var kontrolēt, izmantojot neironu saskarni. Šī ir viena no populārākajām jomām neironu saskarņu izstrādē.
Vispopulārākais neironu saskarņu pielietojums medicīnā ir neirorehabilitācija.Šī ir iespēja paātrināt rehabilitācijas procesupersona pēc traumas vai insulta, izmantojot treniņu ar "smadzeņu-datora" saskarni, kas ietver motora aktivitātes atbalstīšanu, tas ir, iedomātu kustību sēriju. Ir daudz pētījumu, kas pierādījuši, ka šādas saskarnes patiešām būtiski paātrina un uzlabo cilvēku rehabilitācijas procesu, atjaunojot zaudētās motoriskās funkcijas.
Nesen smadzeņu un datora saskarnes ir ielauzušās galvenajā tirgū un ieguvušas plašāku auditoriju.Šodien neironu saskarni var iegādāties vietnē eBaymaza nauda, tas maksās pat mazāk nekā viedtālrunis. Pirmkārt, tos izmanto izklaidei – spēļu industrijā. Tāpat ļoti bieži tiek izmantotas neironu saskarnes, lai uzraudzītu dažādus stāvokļus – garastāvokli vai miega fāzes. Meditācijas neironu saskarnes palīdz cilvēkam atslābināties un virza viņu saskaņā ar viņa smadzeņu darbības uzraudzības rezultātiem. Līdzīgas ierīces tiek izmantotas arī dažādu sistēmu izstrādei kognitīvo prasmju - uzmanības, koncentrēšanās vai kognitīvās slodzes - trenēšanai. Šī ir svarīga joma, jo to var izmantot, piemēram, kognitīvās slodzes sistēmu izstrādē lidmašīnu pilotiem un kravas automašīnu vadītājiem.
Kas ir smadzenes un kā tās var izmērīt?
Tu un es esam mūsu smadzenes.Smadzenes sastāv no šūnām, ko saucneironiem. Un katrs neirons sastāv no kodola, ķermeņa un dažādiem procesiem, kas nodrošina tā saziņu ar citiem neironiem - tie ir dendriti, aksoni un terminālis (aksona turpinājums saziņai ar citiem neironiem - “High-Tech”). Viens neirons ir diezgan vienkārša struktūra, bet galvā ir miljardi neironu. Tādējādi viņi kopā veido milzīgu tīklu, kas var apstrādāt sarežģītas datu kopas un nodrošināt mūs kā indivīdus.
Smadzenes ir superdators, tas ir, sistēma, kas spēj apstrādāt milzīgu informācijas daudzumu.Neironi galvenokārt mijiedarbojas viens ar otrudivi veidi - elektrības un ķīmiskās saites. Elektrisko signālu ražo neirons un caur aksonu tiek pārraidīts uz cita neirona sinapsēm (savienojumiem starp neironiem - “High-Tech”). Kad elektriskais signāls nonāk viena neirona izejā, tas tiek pārveidots par dažiem ķīmiskiem ziņojumiem, ko sauc par neirotransmiteriem. Un tie tiek pārraidīti no viena neirona izejas uz cita neirona ievadi, kas, savukārt, tos saņem, apstrādā, pārvērš elektriskā signālā un pārraida tālāk pa šo ķēdi. Neirons var vai nu uztvert un nodot caur sevi elektrisko signālu, vai arī to nodzēst, nesaņemt un pārtraukt ķēdi. Jebkura mūsu darbība veido neironu tīklu, kas nepārtraukti mirgo, veidojot noteiktu modeli, kas ļauj apstrādāt daudzus aktīvus cilvēka darbības veidus.
Ir vairākas metodes, kā izmērīt smadzeņu elektrisko aktivitāti.Pirmkārt, tā ir magnētiskā encefalogrāfija,kas ietver elektromagnētisko lauku mērīšanu, kas rodas smadzeņu elektriskās aktivitātes rezultātā. MEG iekārta ir liela ierīce, kurā cilvēks sēž nekustīgi, jo elektrodi, kas nolasa magnētisko lauku, nav novietoti uz galvas, bet atrodas kādā attālumā no tās. MEG ir ļoti jutīgs pret dažādiem ārējiem traucējumiem - ieskaitot zemes magnētisko lauku un citus magnētiskos laukus, ar kuriem burtiski ir piepildīta visa mūsu realitāte. Tāpēc, lai MEG darbotos labi, tas jānovieto ekranētā telpā. Vēl viena metode ir gandrīz infrasarkanā spektroskopija. Šī ir neiroattēlveidošanas tehnoloģija, kas ļauj vizualizēt smadzenēs notiekošos procesus. Tas izmanto infrasarkano gaismu, lai mērītu oksi- un deoksihemoglobīna koncentrāciju. Ierīce sastāv no vāciņa, pie kura ir piestiprināti cilindri, kas cieši pieguļ galvas ādas virsmai un ir sadalīti divos veidos - avots un detektors. Avots izstaro gaismas staru infrasarkanajā diapazonā. Šī gaisma iziet cauri ādai, galvaskausam un garozas augšējam slānim, tas ir, smadzenēm. Tas iziet cauri, atgriežas atpakaļ uz skalpa virsmu un to uztver detektors. Turklāt viss, ko var redzēt, nes ļoti svarīgu informāciju par skābekļa līmeni asinīs. Veicot kādu darbību, piemēram, piesitot, mūsu asinis motoriskajā zonā ir piesātinātas ar skābekli. Mēs varam to izmērīt un definēt kā modeli. Nākamā tehnoloģija ir elektroencefalogrāfija, visefektīvākā no tām. To var izmantot neironu saskarnē, jo tas ir salīdzinoši lēts un diezgan vienkāršs. Es uzliku vāciņu, pagriezu elektrodus, ieeļļoju tos ar pastu - un viņi strādāja. EEG instalācija - elektroencefalogrāfs - ir arī cepure, kas tiek uzlikta uz cilvēka galvas. Ir nepieciešams ciešāk piespiest elektrodus pie cilvēka galvas un pareizi novietot.
Kāpēc smadzenēs jāiekļauj neiro saskarnes?
Elektroencefalogrāfi ir dažādi.Viņi raksta signālus ar dažādu izšķirtspēju un tiem iratšķirīgs kanālu skaits. EEG ir arī divu veidu. Būtībā ir invazīvas un neinvazīvas EEG. Invazīvā EEG ietver operāciju, lai atvērtu galvaskausu un novietotu elektrodus tieši uz smadzeņu virsmas. Ir skaidrs, ka šī tehnoloģija netiek izmantota cilvēkiem. To galvenokārt izmanto dzīvnieku zinātnē, lai pētītu viņu darbību, kas ir ļoti līdzīga cilvēka darbībai. EEG signālam, kas tiek nolasīts tieši no garozas virsmas un ļoti nelielas neironu grupas, ir labāka veiktspēja nekā neinvazīvās tehnoloģijas. Jo tajā nav dažādu artefaktu, kas raksturīgi EEG.
Ir jomas, kurās invazīvās saskarnes ir ļoti svarīgas un patiesībā vienīgā tehnoloģija, kas var atvieglot cilvēka stāvokli.Piemēram, tā ir epilepsija.Mūsu laboratorija pēta epilepsijas veidu, ko sauc par absansu epilepsiju. Tā ir epilepsija, kas nav saistīta ar krampjiem. Cilvēkam lēkmes laikā krampji nepiedzīvo, viņš vienkārši uz laiku atslēdzas no pasaules. Un viņš par to nezina, ka ir atvienojies. Šis stāvoklis ir arī ļoti bīstams, neskatoties uz to, ka nav citu ārēju izpausmju, izņemot to, ka cilvēks ir atvienojies no realitātes. Tā kā viņš, piemēram, var nezināt, ka viņam ir prombūtnes epilepsija, un viņš var ģībt, vadot automašīnu. Tāpēc ļoti svarīga ir arī visu uzbrukumu novēršana, un saskarne to var novērst. Kad cilvēkam ir lēkme, pirmkārt, tiek sinhronizēti dažādi smadzeņu ritmi – to ir ļoti viegli uztvert. Turklāt pirms uzbrukuma notiek noteikta veida darbība – kādu laiku pirms uzbrukuma varam noteikt, kas notiks tālāk. Kad neironu saskarne to konstatē, tā var nosūtīt impulsus smadzenēm, kas palīdz nomākt šo uzbrukumu. Tajā pašā laikā cilvēks, kurš regulāri lieto šo interfeisu, neko nejutīs un nezinās, ka viņu tikko gaidīja uzbrukums.
Neuralink Elona Musk atšķiras no citieminvazīvas neiro saskarnes, jo elektrodi, kas raksta EEG, atrodas uz ļoti plāniem pavedieniem (plānākiem par cilvēka matiem), un uz viena kvēldiega atrodas daudz elektrodu.Ir iespējams ierakstīt līdz 3 tūkstošiem elektrodu.Tas ir milzīgs datu apjoms. Ņemot vērā to, ka tie atrodas garozā, tie ir ļoti mazi un raksta signālu no nelielas neironu grupas. Tādā veidā mēs varam noķert ļoti smalku darbību.
Muskusa tehnoloģija daļēji atrisina problēmu, kas bieži sastopama, izmantojot neinvazīvu EEG - lauka izkliedi (no angļu valodas "elektriskā lauka stiprums" - "Hi -tech").Kad mēs rakstām neinvazīvu EEG, mēs pārklājamelektrodu uz galvas, un tas ieraksta no lielas neironu grupas. Tas rada vispārēju enerģijas lauku. Elektriskie lauki no dažādiem neironiem pārklājas un traucē viens otru. Tātad, kad mēs rakstām noteikta veida darbību, mums faktiski ir daudz dažādu darbību, kas traucē apstrādi. Un ļoti liela problēma ar visām invazīvām saskarnēm ir tā, ka mūsu ķermenis nevēlas, lai tajā tiktu iebāzti svešķermeņi.
Neinvazīva EEG ir EEG, ko mēs pastāvīgi izmantojam.Būtībā tie ir uzlikti elektrodigalvas virsma ar vāciņu. Katrs elektrods reģistrē noteiktas neironu grupas darbību. Elektrodu atrašanās vieta ir ļoti svarīga, jo tā lielā mērā ietekmē apstrādes rezultātu.
Elektroencefalogramma ir elektrisks signāls.Šī signāla apstrāde ir radiofizikas uzdevums.Mēs varam izmantot parastās analīzes metodes, lai izolētu šī signāla iezīmes. Mūsu uzdevums ir izcelt noteiktus modeļus, kas atbilst šai kustībai.
Galvenās grūtības, veidojot neironu saskarnes
Kāpēc ir tik grūti izveidot neironu saskarni?Jo šie ir ļoti sarežģīti uzdevumi:apstrādāt EEG un identificēt modeļus. Viņiem nepieciešama integrēta un rūpīga pieeja. Pirmkārt, tāpēc, ka katrs cilvēks ir individuāls, tāpat kā viņa smadzenes. Pat homozigotiem dvīņiem ir ļoti dažādas smadzenes, piemēram, pirkstu nospiedumi. Mēs nevaram izveidot vienu universālu sistēmu, kas darbotos vienādi visiem cilvēkiem. Tas ir jāpielāgo, jākalibrē un pastāvīgi jāmaina ikvienam. Nākamais iemesls ir uzdevuma specifika. Katrs cilvēks vienu un to pašu uzdevumu var veikt atšķirīgi un uzkrāt dažādas aktivitātes. Sensoru izvietojums ir arī cilvēka faktors. Dažādos eksperimentos sensori var būt novietoti nedaudz atšķirīgi, taču arī tas ir ļoti svarīgi, jo tie rakstīs citu darbību. Vēl viens iemesls ir smadzeņu nestacionārā dinamika visos laika skalos. Tas nozīmē, ka tas pastāvīgi mainās visos laika skalos. Mēs varam uzņemt lielu EEG signāla gabalu, sadalīt to sekundēs, un katra sekunde būs atšķirīga. Smadzenes pastāvīgi mainās, attīstās un pielāgojas savai ārējai videi. Svarīga problēma ir augstais trokšņa līmenis EEG ierakstos un artefaktos. Tā kā mēs novietojam elektrodus uz galvas ādas virsmas un zem tās, starp ādu un galvaskausu, ir muskuļu šķiedras, kas darbojas, pārvietojas un rada sava veida motora artefaktus uz EEG signālu. Turklāt mēs nepārtraukti kustinām acis, mirkšķinām, un tas viss arī dod vadību EEG, kas ir redzams ne tikai uz pieres kanāliem, bet arī pakausī. Turklāt mūsu sirds pukst. Sirds artefakti ir sastopami EEG gandrīz visiem cilvēkiem. Tie rodas no asins pulsācijas zemādas traukos.
Ir lieliskas metodes, kas palīdz mums atbrīvoties no visiem artefaktiem.Varat noņemt artefaktus vai tos filtrēt.Ir metodes, kas ļauj noņemt komponentus, kas atbilst sirdsdarbībai, okulomotorajiem artefaktiem un filtrēt EEG signālu mums vajadzīgajā diapazonā. Tālāk kā signālu analīzes metode tiek izmantota laika frekvences analīze. Mēs novērtējam katra ritma enerģiju un redzam, kurš no tiem satur kādu dinamiku, kas saistīta ar mūsu meklēto efektu. Laika-frekvences analīze ietver vilnīšus, Furjē analīzi utt.
Nākamais solis ir izveidot funkcionālus savienojumus starp dažādām smadzeņu zonām.Kad mēs kaut ko darām (kustinām rokas,iedomājieties roku kustības), mūsu smadzeņu reģioni mijiedarbojas vai nu sinhroni, vai desinhroni. Šīs mijiedarbības laikā viņi ietekmē viens otru. Pamatojoties uz šīm ietekmēm, ir iespējams izveidot funkcionālu savienojumu tīklu, kas apraksta, kuri savienojumi ir nostiprināti un kuri ir vājināti, un, pamatojoties uz to, mēs varam izdarīt secinājumu par to, kā mūsu darbību veido un apstrādā neironi mērogā. visas smadzenes. Mākslīgie neironu tīkli šeit ir visdaudzsološākie, jo tie darbojas ātri un ir balstīti uz neironu bioloģisko modeli.
EEG signāls ir sarežģīta struktūra ar daudziem komponentiem, taču tā sarežģītība mainās laika gaitā un atkarībā no tā, ko mēs darām.No šīs sarežģītības dinamikas mēs to varam saprastnotiek, novērtē to, klasificē un uz tā pamata izveido kaut kādu klasifikatoru. Konkrēts piemērs ir artefaktu noņemšana. Pieņemsim, ka mums ir daudzkanālu EEG signāls, un tas parāda artefaktus, kas rada traucējumus gandrīz visos kanālos. Un tie izskatās kā okulomotoriskie artefakti. Tie tiek noņemti, izmantojot neatkarīgo komponentu metodi. Katrs signāls ir sadalīts vairākos komponentos, kas satur savu informāciju. Vienā no tiem ir kaut kas, kas mums nav vajadzīgs signālā, — tas ir ļoti okulomotoriskais artefakts. Mēs to ņemam un izmetam. Mēs saņemam tīru, informatīvāku signālu, kas satur to, kas mums nepieciešams. Filtrēšana ir pamata lieta.
Vienu signālu var filtrēt dažādos frekvenču diapazonos.Alfa ritms (8–14 Hz) un beta ritms (15–30 Hz) -šie ir divi smadzeņu ritmi, divi frekvenču komponenti, kas satur visvairāk informācijas par to, kā smadzenes apstrādā motorisko aktivitāti. Ja vēlamies klasificēt iedomātas vai reālas kustības, mēs pievēršamies alfa un beta ritmam un meklējam uz tām rakstu.
Modeļa atrašana ir klasifikācijas uzdevums.Lai apskatītu modeli, mēs varamizmantot laika frekvences analīzes metodi. Raksturs ir motora aktivitāte EEG, un visbiežāk tiek minēta ar notikumu saistīta desinhronizācija. Mēs ņemam alfa ritma aktivitāti. Tajā ir daudz informācijas par to, kā mēs pārvietojamies. Šī informācija ir šāda: kad mēs veicam kustību, informācijas apstrādē iesaistīto neironu skaits samazinās. Tādējādi alfa ritms tiek nomākts. Tā amplitūda samazinās un ģenerē mazāk enerģijas. Šī alfa ritma nomākšana turpinās visas kustības laikā. Ja redzam, ka alfa ritms ir krities, varam teikt, ka tajā brīdī ir notikusi kustība. Piemēram, cilvēks saspiež roku dūrē. Alfa ritms krīt, tā enerģija samazinās. Viņš desinhronizē, un mēs to redzam. Tad cilvēks atspiež roku, un alfa ritms tiek atjaunots un atgriežas normālā stāvoklī. Visa problēma ir tā, ka desinhronizācija ir skaidri redzama vidējos datos. Mēs veicam vairākas kustības, aprēķinām katrai viļņa virsmu, aprēķinām to vidējo vērtību un iegūstam spilgtu attēlu. Mēs veicam vienu kustību, saskaitām tā viļņa virsmu un neko neredzam. Mēs neko nesaprotam, jo šī kustība ir ļoti smalks efekts.
Skatiet arī:
Skatiet, kāda vasara izskatās Saturnā
Bija foto, kā tuksneša putekļi "ieplūst" Atlantijas okeānā
Skatiet to, ko Habla pēctecis teleskopā var redzēt kosmosā