Elena Pitsik— Junior výskumník v Univerzitnom laboratóriu neurovied a kognitívnych technológií
Spojenie medzi počítačom a mozgom
Rozhranie mozog-počítač je systém, ktorý umožňuje interakciu medzi mozgom a počítačom.Otvára komunikačný kanál medzi mozgom apočítač a umožňuje im vzájomnú výmenu informácií. Najjednoduchším príkladom je generovanie príkazov pre externé zariadenie pomocou mozgovej činnosti. Externým zariadením môže byť počítač, aplikácia, robot, dron, protéza, exoskeleton alebo čokoľvek iné. Rozsah takýchto rozhraní je veľmi široký.
Najdôležitejšou súčasťou rozhrania je technológia na zaznamenávanie biologických signálov z mozgu.Existuje veľa technológií, ktoré môžu byťpoužiť v rozhraniach. Signály elektrickej aktivity sa zaznamenávajú pomocou zosilňovača - elektroencefalografu. Prenášajú sa na server, ktorý tieto signály spracováva. Existujú veľmi malé, kompaktné rozhrania, ktoré využívajú bezdrôtovú technológiu. Existuje doslova jeden malý čip. Ak však plánujete používať rozhranie v klinickom prostredí (napríklad na rehabilitáciu po mozgovej príhode), pravdepodobne budete chcieť mať veľa kanálov a veľkých dát. Spracovanie veľkých dát si vyžaduje veľa výpočtových zdrojov, preto sa najčastejšie používa samostatný počítač so špeciálnym softvérom. A potom, čo tento softvér spracuje mozgový signál, je preložený do príkazov pre externé zariadenie, ktoré poskytuje spätnú väzbu. Namiesto klasického monitora môže byť čokoľvek: od aplikácie na sledovanie nálady až po riadiaci systém robota.
Rozhrania mozog-počítač možno rozdeliť do troch hlavných typov.Po prvé, ide o aktívne neurónové rozhranie, ktoréznamená, že používateľ priamo a vedome ovláda externé zariadenie alebo aplikáciu. Neurorozhranie je mozgová aktivita, ktorú používateľ generuje, číta, spracováva a premieňa na príkazy. Druhým typom je reaktívne nervové rozhranie. Pri nej mozgovú aktivitu neprodukuje mozog vedome, ale je stimulovaná vonkajšími vplyvmi – svetlom, zvukom, hmatovými vnemami, príkazmi. Napríklad obrazmi alebo zvukovou stimuláciou, ktoré v našej mysli spúšťajú určitú odozvu. A túto odpoveď nedokážeme vedome vygenerovať bez vonkajšieho podnetu, takže potrebujeme nejaký druh spätnej väzby. Rozhranie mozog-počítač hľadá túto reakciu na vonkajší stimul v našom mozgu a používa ju na generovanie príkazov a ovládanie externého zariadenia alebo na profilovanie spätnej väzby. Tretím typom neurónového rozhrania je pasívne neurónové rozhranie. Najkomplexnejšie a nepochopiteľné, pretože nezahŕňa generovanie žiadnych príkazov pre externé zariadenie a už vôbec nie ovládanie. Toto rozhranie na vás pasívne sedí a monitoruje váš stav počas vašich každodenných aktivít. To znamená, že čítate, pracujete, riadite auto a neurónové rozhranie vás sleduje. Môže sa použiť na sledovanie úrovne vašej pozornosti, zamerania, únavy, kognitívnej záťaže a tiež vám poskytne spätnú väzbu o vašom stave.
Neurorehabilitácia a iné použitie rozhraní
Neurointerface má veľký spoločenský význam pre rozvoj rôznych rehabilitačných systémov a zlepšenie kvality života ľudí s ďalšími potrebami.Napríklad ľudia so syndrómom uzamknutia -stratili všetku možnosť kontaktu s vonkajším svetom, no zároveň si zachovali vedomie; Sú to úplne paralyzovaní ľudia, ktorí nemôžu hovoriť, pohybovať sa a dokonca ani hýbať očami. Nemajú teda žiadne iné možnosti komunikácie, ako používať neurónové rozhrania na čítanie ich mozgovej aktivity a ich preklad do konkrétnych príkazov. Týmito príkazmi môžu byť generovanie reči, ovládanie rôznych aplikácií za účelom zachovania každodennej funkčnosti, ako aj poskytovanie základnej komunikácie s inými ľuďmi. Menej závažným stavom je čiastočná paralýza. Napríklad ľudia na invalidnom vozíku, ktorí nemôžu chodiť, alebo rôzne parézy po mozgovej príhode či následkom úrazu. V prípade paralýzy, ak je neliečiteľná, tak kvalitu života takého človeka možno zlepšiť tým, že mu poskytneme nejaký druh exoskeletu alebo ortézy, ktorú je možné ovládať pomocou neurálneho rozhrania. Toto je jedna z najpopulárnejších oblastí vo vývoji neurónových rozhraní.
Najpopulárnejšou aplikáciou nervových rozhraní v medicíne je neurorehabilitácia.Je to príležitosť na urýchlenie procesu rehabilitácieosoba po úraze alebo mozgovej príhode pomocou tréningu s rozhraním „mozog-počítač“, ktorý zahŕňa podporu motorickej aktivity, teda sériu imaginárnych pohybov. Existuje mnoho štúdií, ktoré preukázali, že takéto rozhrania skutočne výrazne urýchľujú a zlepšujú proces rehabilitácie ľudí, obnovujúc ich stratené motorické funkcie.
V poslednej dobe prešli rozhrania typu „brain-to-computer“ na hlavný trh a získali si širšie publikum.Dnes je neurónové rozhranie možné zakúpiť na eBayza malé peniaze, bude stáť ešte menej ako smartfón. V prvom rade slúžia na zábavu – v hernom priemysle. Veľmi často sa tiež využívajú neurónové rozhrania na sledovanie rôznych stavov – nálady či fáz spánku. Neurónové rozhrania pre meditáciu pomáhajú človeku relaxovať a vedú ho v súlade s výsledkami sledovania jeho mozgovej aktivity. Podobné zariadenia sa využívajú aj na vývoj rôznych systémov na trénovanie kognitívnych schopností – pozornosti, koncentrácie či kognitívnej záťaže. Ide o dôležitú oblasť, pretože sa dá využiť napríklad pri vývoji kognitívnych záťažových systémov pre pilotov lietadiel a vodičov nákladných vozidiel.
Čo je to mozog a ako môžete merať jeho činnosť
Ty a ja sme náš mozog.Mozog tvoria bunky tzvneuróny. A každý neurón pozostáva z jadra, tela a rôznych procesov, ktoré zabezpečujú jeho komunikáciu s inými neurónmi - sú to dendrity, axóny a terminál (pokračovanie axónu na komunikáciu s inými neurónmi - „High-Tech“). Jeden neurón je pomerne jednoduchá štruktúra, no v hlave sú miliardy neurónov. Spoločne tak vytvárajú obrovskú sieť, ktorá dokáže spracovať komplexné dátové súbory a poskytnúť nám ich ako jednotlivcom.
Mozog je superpočítač, teda systém, ktorý dokáže spracovať obrovské množstvo informácií.Neuróny interagujú hlavne medzi seboudvoma spôsobmi - elektrinou a chemickými väzbami. Elektrický signál je produkovaný neurónom a prenášaný cez axón do synapsií (spojenie medzi neurónmi – „High-Tech“) iného neurónu. Keď elektrický signál dorazí na výstup jedného neurónu, premení sa na niektoré chemické správy nazývané neurotransmitery. A tie sa prenášajú z výstupu jedného neurónu na vstup druhého, ktorý ich naopak prijíma, spracováva, mení na elektrický signál a prenáša ďalej v tomto reťazci. Neurón môže buď prijať a preniesť cez seba elektrický signál, alebo ho uhasiť, neprijať a prerušiť reťazec. Akákoľvek naša činnosť tvorí sieť neurónov, ktoré nepretržite blikajú a vytvárajú určitý vzorec, ktorý nám umožňuje spracovávať mnoho aktívnych typov ľudskej činnosti.
Existuje niekoľko metód na meranie elektrickej aktivity mozgu.Po prvé, toto je magnetická encefalografia,ktorá zahŕňa meranie elektromagnetických polí, ktoré vznikajú v dôsledku elektrickej aktivity v mozgu. MEG stroj je veľké zariadenie, v ktorom človek nehybne sedí, pretože elektródy, ktoré snímajú magnetické pole, nie sú umiestnené na hlave, ale sú umiestnené v určitej vzdialenosti od nej. MEG je veľmi citlivý na rôzne vonkajšie rušenia – vrátane zemského magnetického poľa a iných magnetických polí, ktorými je doslova naplnená celá naša realita. Preto, aby MEG dobre fungoval, musí byť umiestnený v tienenej miestnosti. Ďalšou metódou je blízka infračervená spektroskopia. Ide o neurozobrazovaciu technológiu, ktorá nám umožňuje vizualizovať procesy prebiehajúce v mozgu. Využíva infračervené svetlo na meranie koncentrácie oxy- a deoxyhemoglobínu. Zariadenie pozostáva z uzáveru, ku ktorému sú pripevnené valce, tesne priliehajúce k povrchu pokožky hlavy a rozdelené na dva typy - zdroj a detektor. Zdroj vyžaruje lúč svetla v infračervenej oblasti. Toto svetlo prechádza cez kožu, lebku a hornú vrstvu kôry, teda cez mozog. Prechádza, vracia sa späť na povrch pokožky hlavy a je zachytený detektorom. Navyše všetko, čo je vidieť, nesie veľmi dôležité informácie o hladine kyslíka v krvi. Keď vykonáme nejakú činnosť, napríklad poklepanie, naša krv v motorickej zóne je nasýtená kyslíkom. Môžeme to zmerať a definovať ako vzor. Ďalšou technológiou je elektroencefalografia, z nich najúčinnejšia. Môže byť použitý v neurónovom rozhraní, pretože je relatívne lacný a celkom jednoduchý. Nasadil som si čiapku, zakrútil elektródami, namazal pastou – a fungovali. EEG inštalácia - elektroencefalograf - je tiež klobúk, ktorý je umiestnený na hlave človeka. Je potrebné pritlačiť elektródy tesnejšie k hlave osoby a umiestniť ich správne.
Prečo by mali byť nervové rozhrania zabudované do mozgu?
Elektroencefalografy sú rôzne.Zapisujú signály s rôznym rozlíšením a majúrôzny počet kanálov. EEG sa tiež dodávajú v dvoch typoch. V zásade existujú invazívne a neinvazívne EEG. Invazívne EEG zahŕňa operáciu na otvorenie lebky a umiestnenie elektród priamo na povrch mozgu. Je jasné, že táto technológia sa u ľudí nepoužíva. Používa sa najmä vo vede o zvieratách na štúdium ich činnosti, ktorá je veľmi podobná ľudskej činnosti. EEG signál, ktorý sa číta priamo z povrchu kôry a veľmi malej skupiny neurónov, má lepší výkon ako neinvazívna technológia. Pretože neobsahuje rôzne artefakty, ktoré sú charakteristické pre EEG.
Existujú oblasti, v ktorých sú invazívne rozhrania veľmi dôležité a v skutočnosti jedinou technológiou, ktorá môže zmierniť stav človeka.Ide napríklad o epilepsiu.Naše laboratórium študuje typ epilepsie nazývaný absencia epilepsie. Ide o epilepsiu, ktorá nie je spojená so záchvatmi. Človek pri útoku neprežíva kŕče, jednoducho sa na chvíľu odpojí od sveta. A nevie o tom, že je odpojený. Tento stav je tiež veľmi nebezpečný, napriek tomu, že neexistujú žiadne vonkajšie prejavy okrem toho, že sa človek odpojil od reality. Pretože napríklad nemusí vedieť, že má absenciu epilepsie a počas jazdy omdlie. Preto je tiež veľmi dôležité predchádzať všetkým útokom a rozhranie tomu môže zabrániť. Keď má človek záchvat, po prvé, rôzne mozgové rytmy sa synchronizujú - to je veľmi ľahké zachytiť. Útoku navyše predchádza určitý druh činnosti – nejaký čas pred útokom vieme určiť, čo bude ďalej. Keď to nervové rozhranie zaznamená, môže poslať impulzy do mozgu, ktoré pomôžu potlačiť tento útok. Zároveň človek, ktorý toto rozhranie nosí pravidelne, nič nepocíti a nebude vedieť, že sa práve chystal k útoku.
Neuralink Elona Musk sa líši od ostatnýchinvazívne neuro rozhrania, v ktorých sú elektródy, ktoré píšu EEG, umiestnené na veľmi tenkých vláknach (tenších ako ľudský vlas) a veľa elektród na jednom vlákne.Je možné zaznamenať až 3 tisíc elektród.Ide o obrovské množstvo údajov. Vzhľadom na to, že sa nachádzajú na kôre, sú veľmi malé a píšu signál z malej skupiny neurónov. Takto môžeme zachytiť veľmi jemnú aktivitu.
Muskova technológia čiastočne rieši problém, ktorý je bežný pri použití neinvazívneho šírenia poľa EEG (z angličtiny „elektrická intenzita poľa“ - „Hi-tech“).Keď píšeme neinvazívne EEG, superponujemeelektróda na hlave a zaznamenáva z veľkej skupiny neurónov. Vytvára všeobecné energetické pole. Elektrické polia z rôznych neurónov sa prekrývajú a navzájom interferujú. Takže keď píšeme určitý typ činnosti, máme v skutočnosti veľa rôznych činností, čo narúša spracovanie. A veľmi veľkým problémom všetkých invazívnych rozhraní je, že naše telo nechce, aby sa do neho strkali cudzie predmety.
Neinvazívny EEG je EEG, ktorý neustále používame.V podstate ide o elektródy umiestnené napovrch hlavy s čiapkou. Každá elektróda zaznamenáva aktivitu určitej skupiny neurónov. Umiestnenie elektród je veľmi dôležité, pretože výrazne ovplyvňuje výsledok spracovania.
Elektroencefalogram je elektrický signál.Spracovanie tohto signálu je úlohou rádiofyziky.Na izoláciu vlastností tohto signálu môžeme použiť konvenčné analytické techniky. Našou úlohou je zvýrazniť určité vzory, ktoré tomuto pohybu zodpovedajú.
Hlavné ťažkosti pri vytváraní neurónových rozhraní
Prečo je také ťažké vytvoriť neurónové rozhranie?Pretože sú to veľmi ťažké úlohy:spracovať EEG a identifikovať vzory. Vyžadujú si integrovaný a starostlivý prístup. Po prvé preto, že každý človek je individuálny, rovnako ako jeho mozog. Dokonca aj homozygotné dvojčatá majú veľmi odlišné mozgy, napríklad odtlačky prstov. Nemôžeme vytvoriť jeden univerzálny systém, ktorý funguje rovnako pre všetkých ľudí. Pre každého sa musí nastavovať, kalibrovať a neustále meniť. Ďalším dôvodom sú špecifiká úlohy. Každá osoba môže vykonávať rovnakú úlohu inak a hromadiť rôzne činnosti. Rozmiestnenie senzorov je tiež ľudský faktor. V rôznych experimentoch môžu byť senzory umiestnené mierne odlišne, ale to je tiež veľmi dôležité, pretože budú písať inú aktivitu. Ďalším dôvodom je nestacionárna dynamika mozgu vo všetkých časových škálach. To znamená, že sa neustále mení vo všetkých časových mierkach. Môžeme zobrať veľký kus EEG signálu, rozdeliť ho na sekundy a každá sekunda bude iná. Mozog sa neustále mení, vyvíja a prispôsobuje vonkajšiemu prostrediu. Dôležitým problémom je vysoká hladina šumu v EEG záznamoch a artefaktoch. Pretože elektródy umiestňujeme na povrch pokožky hlavy a pod ňou, medzi kožou a lebkou, sú svalové vlákna, ktoré pracujú, pohybujú sa a vytvárajú nejaké motorické artefakty na EEG signáli. Okrem toho neustále pohybujeme očami, žmurkáme a to všetko tiež vedie k EEG, ktoré je viditeľné nielen na kanáloch na čele, ale aj na zadnej strane hlavy. Okrem toho nám bije srdce. Srdcové artefakty sú prítomné na EEG takmer u všetkých ľudí. Vznikajú pulzáciou krvi v cievach pod kožou.
Existujú skvelé metódy, ktoré nám pomáhajú zbaviť sa všetkých artefaktov.Môžete odstrániť artefakty alebo ich filtrovať.Existujú metódy, ktoré umožňujú odstrániť komponenty zodpovedajúce srdcovému tepu, okulomotorickým artefaktom a filtrovať EEG signál v rozsahu, ktorý potrebujeme. Ďalej sa ako metóda analýzy signálu používa časovo-frekvenčná analýza. Hodnotíme energiu každého rytmu a vidíme, ktorý z nich obsahuje nejakú dynamiku spojenú s efektom, ktorý hľadáme. Časovo-frekvenčná analýza zahŕňa vlnky, Fourierovu analýzu atď.
Ďalším krokom je nadviazanie funkčných spojení medzi rôznymi oblasťami mozgu.Keď niečo robíme (pohybujeme rukami,predstavte si pohyby rúk), oblasti nášho mozgu interagujú buď synchrónne alebo desynchrónne. Počas tejto interakcie sa navzájom ovplyvňujú. Na základe týchto vplyvov je možné vybudovať sieť funkčných spojení, ktoré popisujú, ktoré spojenia sú posilnené a ktoré oslabené a na základe toho môžeme vyvodiť záver o tom, ako našu činnosť budujú a spracovávajú neuróny na škále celý mozog. Umelé neurónové siete sú tu najsľubnejšie, pretože fungujú rýchlo a sú založené na biologickom modeli neurónov.
EEG signál je zložitá štruktúra s mnohými komponentmi, no jeho zložitosť sa mení v čase a v závislosti od toho, čo robíme.Z dynamiky tejto zložitosti to môžeme pochopiťsa stane, vyhodnoťte to, klasifikujte a na tomto základe vytvorte nejaký druh klasifikátora. Konkrétnym príkladom je odstraňovanie artefaktov. Povedzme, že máme viackanálový EEG signál a ten ukazuje artefakty, ktoré spôsobujú interferenciu na takmer všetkých kanáloch. A vyzerajú ako okulomotorické artefakty. Odstraňujú sa metódou nezávislých komponentov. Každý signál je rozložený na niekoľko komponentov, ktoré obsahujú vlastnú informáciu. Jeden z nich obsahuje niečo, čo v signáli nepotrebujeme – práve ten okulomotorický artefakt. Vezmeme a vyhodíme. Získame čistý, informatívnejší signál obsahujúci to, čo potrebujeme. Filtrácia je základná vec.
Jeden signál je možné filtrovať v rôznych frekvenčných rozsahoch.Alfa rytmus (8–14 Hz) a beta rytmus (15–30 Hz) -toto sú dva mozgové rytmy, dve frekvenčné zložky, ktoré obsahujú najviac informácií o tom, ako mozog spracováva motorickú aktivitu. Ak chceme klasifikovať imaginárne alebo skutočné pohyby, obrátime sa na alfa a beta rytmus a hľadáme na nich vzor.
Nájsť vzor je úloha klasifikácie.Aby sme sa pozreli na vzor, ktorý môžemepoužiť metódu časovo-frekvenčnej analýzy. Vzorom je motorická aktivita na EEG a najčastejšie sa uvádza desynchronizácia súvisiaca s udalosťou. Preberáme aktivitu alfa rytmu. Obsahuje množstvo informácií o tom, ako sa pohybujeme. Tieto informácie sú nasledovné: keď vykonáme pohyb, počet neurónov, ktoré sa podieľajú na spracovaní informácií, klesá. Alfa rytmus je teda potlačený. Jeho amplitúda klesá a generuje menej energie. Toto potlačenie alfa rytmu pokračuje počas celého pohybu. Ak vidíme, že alfa rytmus klesol, môžeme povedať, že v tom momente nastal pohyb. Napríklad človek zatne ruku v päsť. Alfa rytmus klesá, jeho energia klesá. Desynchronizuje sa a my to vidíme. Potom osoba uvoľní ruku a alfa rytmus sa obnoví a vráti sa do normálneho stavu. Celý problém je v tom, že desynchronizácia je jasne viditeľná v spriemerovaných údajoch. Urobíme niekoľko pohybov, vypočítame povrch vlnky pre každý, spriemerujeme ich a získame jasný obraz. Urobíme jeden pohyb, spočítame jeho vlnový povrch a nič nevidíme. Ničomu nerozumieme, pretože tento pohyb je veľmi jemný efekt.
Pozri tiež:
Pozrite sa, ako vyzerá leto na Saturn
Bola fotografia, ako púšťový prach „prúdi“ do Atlantického oceánu
Pozrite sa, čo Hubbleov nástupnícky ďalekohľad vidí vo vesmíre