Елена Питсик— млађи истраживач у Универзитетској лабораторији за неуронауку и когнитивне технологије
Веза између рачунара и мозга
Интерфејс мозак-рачунар је систем који омогућава интеракцију између мозга и рачунара.Отвара канал комуникације између мозга ирачунара и омогућава им међусобну размену информација. Најједноставнији пример је генерисање команди за спољни уређај помоћу активности мозга. Спољни уређај може бити рачунар, апликација, робот, дрон, протеза, егзоскелет или било шта друго. Опсег таквих интерфејса је веома широк.
Најважнији део интерфејса је технологија за снимање биолошких сигнала из мозга.Постоји много технологија које могу битиприменити у интерфејсима. Сигнали електричне активности се снимају помоћу појачала - електроенцефалографа. Они се преносе на сервер, који обрађује ове сигнале. Постоје веома мали, компактни интерфејси који користе бежичну технологију. Постоји буквално један мали чип. Али ако планирате да користите интерфејс у клиничком окружењу (за рехабилитацију након можданог удара, на пример), онда вероватно желите да имате много канала и великих података. Обрада великих података захтева доста рачунарских ресурса, па се најчешће користи посебан рачунар са посебним софтвером. А након што овај софтвер обради мождани сигнал, он се преводи у команде за спољни уређај, пружајући повратну информацију. Уместо класичног монитора, може бити било шта: од апликације за праћење вашег расположења до роботског контролног система.
Интерфејси „мозак-рачунар“ могу се класификовати у три главна типа.Прво, ово је активни неуронски интерфејс, којиподразумева да корисник директно и свесно контролише спољни уређај или апликацију. Неуроинтерфејс је мождана активност коју корисник генерише, чита, обрађује и претвара у команде. Други тип је реактивни неуронски интерфејс. У њему мождану активност мозак не производи свесно, већ је стимулисана спољним утицајима – светлошћу, звуком, тактилним осећањима, командама. На пример, слике или звучна стимулација који изазивају одређени одговор у нашем уму. И не можемо свесно да генеришемо овај одговор, без спољашњег стимулуса, па нам је потребна нека врста повратне информације. Интерфејс мозак-рачунар тражи овај одговор на спољашњи стимуланс у нашем мозгу и користи га за генерисање команди и контролу спољног уређаја или за профилисање повратних информација. Трећи тип неуронског интерфејса је пасивни неуронски интерфејс. Најсложеније и најнеразумљивије, јер не укључује генерисање команди за спољни уређај и никакву контролу. Овај интерфејс пасивно седи на вама и прати ваше стање током ваших свакодневних активности. То јест, читате, радите, возите ауто, а неуронски интерфејс вас прати. Може се користити за праћење вашег нивоа пажње, фокуса, умора, когнитивног оптерећења, а такође вам даје неке повратне информације о вашем стању.
Неурорехабилитација и друга употреба интерфејса
Неуроинтерфејс има висок друштвени значај за развој различитих система рехабилитације и побољшање квалитета живота особа са додатним потребама.Као што су људи са синдромом закључавања -изгубили су сваку могућност контакта са спољним светом, али су истовремено задржали свест; То су потпуно парализовани људи који не могу да говоре, да се померају, па чак ни да померају очи. Дакле, немају друге опције за комуникацију осим да користе неуронске интерфејсе за читање активности мозга и њихово превођење у одређене команде. Ове команде могу бити генерисање говора, управљање разним апликацијама у циљу одржавања свакодневне функционалности, као и омогућавање основне комуникације са другим људима. Мање тешко стање је делимична парализа. На пример, људи у инвалидским колицима који не могу да ходају, или разне парезе после можданог удара или као последица повреде. У случају парализе, ако је неизлечива, онда се квалитет живота такве особе може побољшати тако што ће му се обезбедити нека врста егзоскелета или ортозе која се може контролисати помоћу неуронског интерфејса. Ово је једна од најпопуларнијих области у развоју неуронских интерфејса.
Најпопуларнија примена неуронских интерфејса у медицини је неурорехабилитација.Ово је прилика да се убрза процес рехабилитацијеособа након повреде или можданог удара која користи тренинг са интерфејсом „мозак-компјутер“, који подразумева подршку моторичке активности, односно низ замишљених покрета. Постоје многе студије које су показале да такви интерфејси заиста значајно убрзавају и побољшавају процес рехабилитације људи, враћајући им изгубљене моторичке функције.
Недавно су интерфејси између мозга и рачунара избили на главно тржиште и стекли ширу публику.Данас се неуронски интерфејс може купити на еБаи-умали новац, коштаће чак и мање од паметног телефона. Пре свега, користе се за забаву - у индустрији игара. Такође врло често, неуронски интерфејси се користе за праћење различитих стања - расположења или фаза спавања. Неурални интерфејси за медитацију помажу особи да се опусти и води је у складу са резултатима праћења његове мождане активности. Слични уређаји се такође користе за развој различитих система за тренирање когнитивних вештина – пажње, концентрације или когнитивног оптерећења. Ово је важна област јер се може користити, на пример, у развоју система когнитивног оптерећења за пилоте авиона и возаче камиона.
Шта је мозак и како можете мерити његову активност
Ти и ја смо наш мозак.Мозак се састоји од ћелија тзвнеурона. А сваки неурон се састоји од језгра, тела и разних процеса који обезбеђују његову комуникацију са другим неуронима - то су дендрити, аксони и терминал (наставак аксона за комуникацију са другим неуронима - „Хигх-Тецх“). Један неурон је прилично једноставна структура, али у глави постоје милијарде неурона. На тај начин, заједно стварају огромну мрежу која може да обрађује сложене скупове података и обезбеђује нас као појединце.
Мозак је суперкомпјутер, односно систем који је способан да обради огромне количине информација.Неурони углавном комуницирају једни са другимадва начина – електрична и хемијска веза. Електрични сигнал производи неурон и преноси се преко аксона до синапси (везе између неурона - "Хигх-Тецх") другог неурона. Када електрични сигнал стигне на излаз једног неурона, он се претвара у неке хемијске поруке које се називају неуротрансмитери. И они се преносе са излаза једног неурона на улаз другог, који их, заузврат, прима, обрађује, претвара у електрични сигнал и преноси даље дуж овог ланца. Неурон може или примити и проћи кроз себе електрични сигнал, или га угасити, а не примити и прекинути ланац. Свака наша активност формира мрежу неурона који непрекидно трепере, формирајући одређени образац који нам омогућава да обрадимо многе активне врсте људских активности.
Постоји неколико метода за мерење електричне активности мозга.Прво, ово је магнетна енцефалографија,који подразумева мерење електромагнетних поља која настају као резултат електричне активности у мозгу. МЕГ машина је велики уређај у коме особа седи непомично јер електроде које очитавају магнетно поље нису постављене на главу, већ се налазе на некој удаљености од ње. МЕГ је веома осетљив на разне спољашње сметње – укључујући магнетно поље земље и друга магнетна поља којима је буквално испуњена цела наша стварност. Стога, да би МЕГ добро функционисао, мора бити смештен у заштићену просторију. Друга метода је блиска инфрацрвена спектроскопија. Ово је неуроимагинг технологија која нам омогућава да визуализујемо процесе који се дешавају у мозгу. Користи инфрацрвено светло за мерење концентрације окси- и деоксихемоглобина. Уређај се састоји од поклопца на који су причвршћени цилиндри, чврсто прислоњени на површину коже главе и подељени у два типа - извор и детектор. Извор емитује сноп светлости у инфрацрвеном опсегу. Ова светлост пролази кроз кожу, лобању и горњи слој кортекса, односно мозга. Пролази, враћа се назад на површину коже главе и детектор га хвата. Штавише, све што се може видети носи веома важне информације о нивоу кисеоника у крви. Када извршимо неку радњу, као што је тапкање, наша крв у моторној зони је засићена кисеоником. Ово можемо измерити и дефинисати као образац. Следећа технологија је електроенцефалографија, најефикаснија од њих. Може се користити у неуронском интерфејсу јер је релативно јефтин и прилично једноставан. Ставио сам капу, завртио електроде, подмазао их пастом - и радиле су. ЕЕГ инсталација - електроенцефалограф - је такође шешир који се ставља на главу особе. Потребно је чвршће притиснути електроде уз главу особе и правилно их поставити.
Зашто би неуронски интерфејси требало да буду уграђени у мозак?
Електроенцефалографи су различити.Они пишу сигнале са различитим резолуцијама и имајуразличит број канала. ЕЕГ такође долази у две врсте. У основи, постоје инвазивни и неинвазивни ЕЕГ. Инвазивни ЕЕГ укључује операцију отварања ваше лобање и постављања електрода директно на површину вашег мозга. Јасно је да се ова технологија не користи код људи. Углавном се користи у науци о животињама за проучавање њихове активности, која је веома слична људској активности. ЕЕГ сигнал, који се чита директно са површине кортекса и веома мале групе неурона, има боље перформансе од неинвазивне технологије. Зато што је ослобођен разних артефаката који су карактеристични за ЕЕГ.
Постоје области у којима су инвазивни интерфејси веома важни и заправо једина технологија која може ублажити стање особе.На пример, ово је епилепсија.Наша лабораторија проучава врсту епилепсије која се зове епилепсија одсутности. Ово је епилепсија која није повезана са нападима. Особа не доживљава конвулзије током напада, једноставно се на неко време искључује из света. И не зна за то, да је искључен. Ово стање је такође веома опасно, упркос чињеници да нема спољашњих манифестација осим чињенице да се особа одвојила од стварности. Зато што може, на пример, да не зна да има абсанце епилепсију и да се онесвести током вожње. Стога је спречавање свих напада такође веома важно, а интерфејс то може спречити. Када особа има напад, прво се синхронизују различити мождани ритмови - то је врло лако ухватити. Поред тога, нападу претходи одређена врста активности – неко време пре напада можемо да одредимо шта ће се даље десити. Када неуронски интерфејс то открије, може послати импулсе у мозак који помажу у сузбијању овог напада. У исто време, особа која редовно носи овај интерфејс неће ништа осетити и неће знати да се управо спремао да има напад.
Неуралинк Илона Маск се разликује од другихинвазивни неуроинтерфејси у којима се електроде које пишу ЕЕГ налазе на врло танким нитима (тање од људске длаке), а много електрода се налази на једној нити.Могуће је снимити до 3 хиљаде електрода.Ово је огромна количина података. С обзиром на то да се налазе на кортексу, веома су мали и исписују сигнал од мале групе неурона. На овај начин можемо ухватити веома суптилну активност.
Мускова технологија делимично решава проблем који је уобичајен при коришћењу неинвазивног ЕЕГ -а - ширење поља (од енглеског "елецтриц фиелд јакост" - "Хи -тецх").Када пишемо неинвазивни ЕЕГ, ми суперпонирамоелектрода на глави, а снима са велике групе неурона. Он генерише опште енергетско поље. Електрична поља различитих неурона се преклапају и ометају једно друго. Дакле, када пишемо одређену врсту активности, заправо имамо много различитих активности, што омета обраду. И веома велики проблем са свим инвазивним интерфејсима је то што наше тело не жели да се страни предмети гурну у њега.
Неинвазивни ЕЕГ је ЕЕГ који стално користимо.У суштини, ово су електроде постављене наповршина главе са капом. Свака електрода бележи активност одређене групе неурона. Локација електрода је веома важна јер у великој мери утиче на резултат обраде.
Електроенцефалограм је електрични сигнал.Обрада овог сигнала је задатак радиофизике.Можемо користити конвенционалне технике анализе да изолујемо карактеристике овог сигнала. Наш задатак је да истакнемо одређене обрасце који одговарају овом кретању.
Главне потешкоће у стварању неуронских интерфејса
Зашто је тако тешко направити неуронски интерфејс?Зато што су ово веома тешки задаци:обради ЕЕГ и идентификује обрасце. Они захтевају интегрисан и пажљив приступ. Прво, зато што је свака особа индивидуална, баш као и његов мозак. Чак и хомозиготни близанци имају веома различите мозгове, попут отисака прстију. Не можемо створити један универзални систем који функционише исто за све људе. Мора се прилагођавати, калибрисати и стално мењати за свакога. Следећи разлог је специфичност задатка. Свака особа може различито обављати исти задатак и акумулирати различите активности. Постављање сензора је такође људски фактор. У различитим експериментима, сензори могу бити мало другачије позиционирани, али ово је такође веома важно, јер ће писати другачију активност. Други разлог је нестационарна динамика мозга на свим временским скалама. То значи да се стално мења на свим временским скалама. Можемо узети велики део ЕЕГ сигнала, разбити га на секунде и свака секунда ће бити другачија. Мозак се стално мења, развија и прилагођава свом спољашњем окружењу. Важан проблем је висок ниво шума у ЕЕГ снимцима и артефактима. Пошто електроде постављамо на површину скалпа, а испод, између коже и лобање, постоје мишићна влакна која раде, крећу се и стварају неку врсту моторичких артефаката на ЕЕГ сигналу. Поред тога, стално померамо очи, трепћемо, а све то такође даје смернице за ЕЕГ, који је видљив не само на каналима на челу, већ и на потиљку. Осим тога, срце нам куца. Срчани артефакти су присутни на ЕЕГ код скоро свих људи. Они настају услед пулсирања крви у судовима испод коже.
Постоје кул методе које нам помажу да се ослободимо свих артефаката.Можете уклонити артефакте или их филтрирати.Постоје методе које вам омогућавају да уклоните компоненте које одговарају откуцајима срца, окуломоторне артефакте и филтрирате ЕЕГ сигнал у опсегу који нам је потребан. Затим, временско-фреквенцијска анализа се користи као метода анализе сигнала. Процењујемо енергију сваког ритма и видимо који садржи неку динамику повезану са ефектом који тражимо. Временско-фреквенцијска анализа укључује таласе, Фуријеову анализу итд.
Следећи корак је успостављање функционалних веза између различитих подручја мозга.Када нешто радимо (померамо руке,замислите покрете руку), наши региони мозга интерагују синхроно или десинхроно. Они утичу једни на друге током ове интеракције. На основу ових утицаја могуће је изградити мрежу функционалних веза која описује које везе су ојачане, а које ослабљене, и на основу тога можемо извести закључак о томе како неурони граде и обрађују нашу активност на скали од цео мозак. Вештачке неуронске мреже овде највише обећавају јер раде брзо и засноване су на биолошком моделу неурона.
ЕЕГ сигнал је сложена структура са много компоненти, али се његова сложеност мења током времена и у зависности од тога шта радимо.Из динамике ове сложености то можемо разуметидешава, процените, класификујте и на основу тога направите неку врсту класификатора. Конкретан пример је уклањање артефаката. Рецимо да имамо вишеканални ЕЕГ сигнал, и он показује артефакте који дају сметње на скоро свим каналима. И изгледају као окуломоторни артефакти. Уклањају се методом независних компоненти. Сваки сигнал се разлаже на неколико компоненти које садрже сопствене информације. Један од њих садржи нешто што нам није потребно у сигналу - баш тај окуломоторни артефакт. Узимамо и бацамо. Добијамо чист, информативнији сигнал који садржи оно што нам је потребно. Филтрација је основна ствар.
Један сигнал се може филтрирати у различитим фреквенцијским опсезима.Алфа ритам (8–14 Хз) и бета ритам (15–30 Хз) -ово су два мождана ритма, две фреквентне компоненте, које садрже највише информација о томе како мозак обрађује моторичку активност. Ако желимо да класификујемо имагинарне или стварне покрете, окрећемо се алфа и бета ритму и тражимо на њима образац.
Проналажење узорка је класификацијски задатак.Да погледамо образац можемокористити методу временско-фреквентне анализе. Образац је моторна активност на ЕЕГ-у, а најчешће се наводи десинхронизација везана за догађаје. Узимамо активност алфа ритма. Садржи много информација о томе како се крећемо. Ова информација је следећа: када направимо покрет, смањује се број неурона који су укључени у обраду информација. Тиме је потиснут алфа ритам. Његова амплитуда се смањује и производи мање енергије. Ово потискивање алфа ритма се наставља током читавог покрета. Ако видимо да је алфа ритам опао, можемо рећи да је у том тренутку дошло до покрета. На пример, особа стисне руку у песницу. Алфа ритам пада, његова енергија се смањује. Он десинхронизује и можемо то да видимо. Тада особа отпушта руку, а алфа ритам се обнавља и враћа у своје нормално стање. Цео проблем је у томе што је десинхронизација јасно видљива у просечним подацима. Узимамо неколико покрета, израчунавамо таласну површину за сваки, усредњавамо их и добијамо светлу слику. Узимамо један покрет, бројимо његову таласну површину и не видимо ништа. Ништа не разумемо јер је овај покрет веома суптилан ефекат.
Погледајте и:
Погледајте како изгледа љето на Сатурну
Појавила се фотографија како пустињска прашина „тече“ у Атлантски океан
Погледајте шта Хуббле-ов наследник може видети у свемиру