Elena Pitsik— Üniversitenin Sinirbilim ve Bilişsel Teknolojiler Laboratuvarı'nda Kıdemsiz Araştırmacı
Bilgisayar ve beyin arasındaki iletişim
Beyin-bilgisayar arayüzü, beyin ile bilgisayar arasındaki etkileşimi sağlayan bir sistemdir.Beyin ve beyin arasında bir iletişim kanalı açar.bilgisayar ve birbirleriyle bilgi alışverişi yapmalarını sağlar. Bunun en basit örneği, beyin aktivitesini kullanan harici bir cihaz için komutların üretilmesidir. Harici bir cihaz bir bilgisayar, bir uygulama, bir robot, bir drone, bir protez, bir dış iskelet veya herhangi bir şey olabilir. Bu tür arayüzlerin kapsamı çok geniştir.
Arayüzün en önemli kısmı beyinden gelen biyolojik sinyalleri kaydetme teknolojisidir.yapılabilecek pek çok teknoloji vararayüzlerde uygulanır. Elektriksel aktivite sinyalleri bir amplifikatör - bir elektroensefalograf kullanılarak kaydedilir. Bu sinyalleri işleyen sunucuya iletilirler. Kablosuz teknolojiyi kullanan çok küçük, kompakt arayüzler var. Kelimenin tam anlamıyla küçük bir çip var. Ancak arayüzü klinik bir ortamda kullanmayı planlıyorsanız (örneğin felç sonrası rehabilitasyon için), o zaman muhtemelen çok sayıda kanala ve büyük verilere sahip olmak istersiniz. Büyük Verilerin işlenmesi çok fazla bilgi işlem kaynağı gerektirir, bu nedenle çoğunlukla özel yazılıma sahip ayrı bir bilgisayar kullanılır. Bu yazılım beyin sinyalini işledikten sonra harici bir cihaz için komutlara dönüştürülerek geri bildirim sağlıyor. Klasik bir monitör yerine her şey olabilir: ruh halinizi izlemeye yönelik bir uygulamadan robot kontrol sistemine kadar.
Beyin-bilgisayar arayüzleri üç ana tipe ayrılabilir.Öncelikle bu aktif bir sinirsel arayüzdür.kullanıcının harici bir cihazı veya uygulamayı doğrudan ve bilinçli olarak kontrol ettiğini ima eder. Nöroarayüz, kullanıcının ürettiği, okuduğu, işlediği ve komutlara dönüştürdüğü beyin aktivitesidir. İkinci tip reaktif bir sinir arayüzüdür. İçinde beyin aktivitesi beyin tarafından bilinçli olarak üretilmez, ancak dış etkiler - ışık, ses, dokunma duyuları, komutlar - tarafından uyarılır. Örneğin zihnimizde belirli bir tepkiyi tetikleyen görüntüler veya ses uyarıları. Ve bu cevabı dışsal bir uyaran olmadan bilinçli olarak üretemeyiz, dolayısıyla bir tür geri bildirime ihtiyacımız var. Beyin-bilgisayar arayüzü, beynimizdeki harici bir uyarana verilen bu yanıtı arar ve bunu komutlar oluşturmak ve harici bir cihazı kontrol etmek veya geri bildirimin profilini çıkarmak için kullanır. Üçüncü tip sinirsel arayüz pasif bir sinirsel arayüzdür. En karmaşık ve anlaşılmaz olanı, çünkü harici bir cihaz için herhangi bir komut oluşturmayı ve hiçbir kontrolü gerektirmiyor. Bu arayüz pasif olarak üzerinize oturur ve günlük aktiviteleriniz sırasında durumunuzu izler. Yani okursunuz, çalışırsınız, araba sürersiniz ve sinirsel arayüz sizi izler. Dikkat seviyenizi, odaklanmanızı, yorgunluğunuzu, bilişsel yükünüzü takip etmek ve ayrıca durumunuz hakkında size bazı geri bildirimler vermek için kullanılabilir.
Nörorehabilitasyon ve arayüzlerin diğer kullanımları
Nöroarayüz, çeşitli rehabilitasyon sistemlerinin geliştirilmesi ve ek ihtiyaçları olan insanların yaşam kalitesinin iyileştirilmesi açısından yüksek sosyal öneme sahiptir.Kilitlenme sendromu olan insanlar gibi -dış dünyayla tüm temas olanaklarını kaybetmişler ama aynı zamanda bilinçlerini de korumuşlar; Bunlar konuşamayan, hareket edemeyen ve hatta gözlerini hareket ettiremeyen tamamen felçli insanlardır. Bu nedenle, beyin aktivitelerini okumak ve bunu belirli komutlara dönüştürmek için sinirsel arayüzleri kullanmaktan başka iletişim seçenekleri yoktur. Bu komutlar, konuşma oluşturma, günlük işlevselliği sürdürmek için çeşitli uygulamaların kontrolü ve ayrıca diğer insanlarla temel iletişimi sağlamak olabilir. Daha az ciddi bir durum kısmi felçtir. Örneğin, tekerlekli sandalyede yürüyemeyen kişiler veya felç sonrası veya yaralanma sonucu çeşitli felçler. Felç durumunda, eğer tedavi edilemezse, o zaman böyle bir kişinin yaşam kalitesi, ona sinirsel bir arayüz kullanılarak kontrol edilebilen bir tür dış iskelet veya ortez sağlanarak iyileştirilebilir. Bu, sinirsel arayüzlerin geliştirilmesinde en popüler alanlardan biridir.
Nöral arayüzlerin tıpta en popüler uygulaması nörorehabilitasyondur.Bu rehabilitasyon sürecini hızlandırmak için bir fırsattırBir kişi, bir yaralanma veya felç sonrasında, motor aktiviteyi, yani bir dizi hayali hareketi desteklemeyi içeren bir "beyin-bilgisayar" arayüzü ile eğitim kullanan kişidir. Bu tür arayüzlerin insanların rehabilitasyon sürecini gerçekten önemli ölçüde hızlandırdığını ve iyileştirdiğini, kaybedilen motor fonksiyonlarını geri kazandığını gösteren birçok çalışma var.
Son zamanlarda, beyin-bilgisayar arayüzleri anaakım pazara yayıldı ve daha geniş bir kitle kazandı.Bugün sinir arayüzü eBay'den satın alınabiliyorküçük para, bir akıllı telefondan bile daha ucuza mal olacak. Her şeyden önce oyun endüstrisinde eğlence amaçlı kullanılıyorlar. Ayrıca sıklıkla, sinirsel arayüzler çeşitli durumları (ruh hali veya uyku aşamaları) izlemek için kullanılır. Meditasyona yönelik sinirsel arayüzler, kişinin rahatlamasına ve beyin aktivitesinin izlenmesinin sonuçlarına göre ona rehberlik etmesine yardımcı olur. Benzer cihazlar aynı zamanda dikkat, konsantrasyon veya bilişsel yük gibi bilişsel becerilerin eğitimi için çeşitli sistemler geliştirmek için de kullanılır. Bu önemli bir alandır çünkü örneğin uçak pilotları ve kamyon sürücüleri için bilişsel yük sistemlerinin geliştirilmesinde kullanılabilir.
Beyin nedir ve aktivitesini nasıl ölçebilirsiniz?
Sen ve ben beynimiziz.Beyin adı verilen hücrelerden oluşur.nöronlar. Ve her nöron bir çekirdekten, bir gövdeden ve diğer nöronlarla iletişimini sağlayan çeşitli süreçlerden oluşur - bunlar dendritler, aksonlar ve bir terminaldir (diğer nöronlarla iletişim için aksonun devamı - "Yüksek Teknoloji"). Bir nöron oldukça basit bir yapıdır ancak kafanın içinde milyarlarca nöron vardır. Böylece hep birlikte karmaşık veri setlerini işleyebilen ve birey olarak bizlere hizmet sunabilen devasa bir ağ oluşturuyorlar.
Beyin bir süper bilgisayardır, yani muazzam miktarda bilgiyi işleyebilen bir sistemdir.Nöronlar esas olarak birbirleriyle etkileşime gireriki yol - elektrik ve kimyasal bağlar. Bir elektrik sinyali bir nöron tarafından üretilir ve bir akson aracılığıyla başka bir nöronun sinapslarına (nöronlar arasındaki bağlantılar - "Yüksek Teknoloji") iletilir. Bir nöronun çıkışına elektrik sinyali ulaştığında, nörotransmitter adı verilen bazı kimyasal mesajlara dönüştürülür. Ve bir nöronun çıkışından diğerinin girişine iletilir, bu da onları alır, işler, elektrik sinyaline dönüştürür ve bu zincir boyunca daha da iletir. Bir nöron, bir elektrik sinyalini ya kendi üzerinden alıp iletebilir ya da söndürebilir, alamayabilir ve zinciri kesebilir. Faaliyetlerimizden herhangi biri, sürekli olarak yanıp sönen, birçok aktif insan faaliyeti türünü işlememize olanak tanıyan belirli bir model oluşturan bir nöron ağı oluşturur.
Beynin elektriksel aktivitesini ölçmek için çeşitli yöntemler vardır.Birincisi, bu manyetik ensefalografidir,beyindeki elektriksel aktivitenin bir sonucu olarak ortaya çıkan elektromanyetik alanların ölçülmesini içerir. MEG makinesi, manyetik alanı okuyan elektrotların kafaya yerleştirilmemesi ve kafadan belli bir mesafeye yerleştirilmesi nedeniyle kişinin hareketsiz oturduğu büyük bir cihazdır. MEG, dünyanın manyetik alanı ve tüm gerçekliğimizi tam anlamıyla dolduran diğer manyetik alanlar da dahil olmak üzere çeşitli dış müdahalelere karşı çok hassastır. Bu nedenle MEG'in iyi çalışması için korumalı bir odaya yerleştirilmesi gerekir. Diğer bir yöntem ise yakın kızılötesi spektroskopidir. Bu, beyinde meydana gelen süreçleri görselleştirmemizi sağlayan bir nörogörüntüleme teknolojisidir. Oksi ve deoksihemoglobin konsantrasyonunu ölçmek için kızılötesi ışık kullanır. Cihaz, kafa derisinin yüzeyine sıkı bir şekilde bitişik olan ve kaynak ve dedektör olmak üzere iki tipe ayrılan silindirlerin takıldığı bir kapaktan oluşur. Kaynak kızılötesi aralıkta bir ışık demeti yayar. Bu ışık deriden, kafatasından ve korteksin üst tabakasından yani beyinden geçer. Geçip kafa derisinin yüzeyine geri döner ve dedektör tarafından yakalanır. Üstelik görülebilen her şey kandaki oksijen miktarı hakkında çok önemli bilgiler taşır. Vurmak gibi bir hareket yaptığımızda motor bölgedeki kanımız oksijene doyurulur. Bunu ölçebilir ve bir model olarak tanımlayabiliriz. Bir sonraki teknoloji ise bunlardan en etkilisi olan elektroensefalografidir. Nispeten ucuz ve oldukça basit olduğundan sinirsel arayüzde kullanılabilir. Bir başlık taktım, elektrotları döndürdüm, macunla yağladım - ve işe yaradılar. Bir EEG kurulumu - bir elektroensefalograf - aynı zamanda bir kişinin kafasına yerleştirilen bir şapkadır. Elektrotların kişinin kafasına daha sıkı bastırılması ve doğru konumlandırılması gerekiyor.
Sinirsel arayüzler neden beyne gömülsün?
Elektroensefalograflar farklıdır.Farklı çözünürlüklerde sinyaller yazıyorlar vefarklı sayıda kanal. EEG'ler de iki tiptedir. Temel olarak invaziv ve invaziv olmayan EEG vardır. İnvaziv bir EEG, kafatasınızı açmak ve elektrotları doğrudan beyninizin yüzeyine yerleştirmek için yapılan ameliyatı içerir. Bu teknolojinin insanlarda kullanılmadığı açıktır. Esas olarak hayvan biliminde, insan aktivitesine çok benzeyen aktivitelerini incelemek için kullanılır. Doğrudan korteks yüzeyinden ve çok küçük bir nöron grubundan okunan EEG sinyali, invaziv olmayan teknolojiye göre daha iyi performansa sahiptir. Çünkü EEG'nin karakteristik özelliği olan çeşitli eserlerden arındırılmıştır.
İnvaziv arayüzlerin çok önemli olduğu alanlar vardır ve aslında bir kişinin durumunu hafifletebilecek tek teknoloji vardır.Örneğin bu epilepsidir.Laboratuvarımız absans epilepsisi adı verilen bir tür epilepsi üzerinde çalışmaktadır. Bu, nöbetlerle ilişkili olmayan epilepsidir. Kişi bir saldırı sırasında kasılma yaşamaz, sadece bir süreliğine dünyayla bağlantısını keser. Ve kendisinin bağlantısının kesildiğini bilmiyor. Kişinin gerçeklikle bağlantısının kopması dışında herhangi bir dış belirti olmamasına rağmen bu durum da çok tehlikelidir. Çünkü örneğin absans epilepsisi olduğunu bilmeden araba kullanırken bayılabilir. Bu nedenle tüm saldırıların önlenmesi de çok önemlidir ve arayüz bunu önleyebilir. Bir kişi kriz geçirdiğinde öncelikle farklı beyin ritimleri senkronize edilir - bunu yakalamak çok kolaydır. Ek olarak, bir saldırının öncesinde belirli bir aktivite türü vardır; saldırıdan bir süre önce, bundan sonra ne olacağını belirleyebiliriz. Nöral arayüz bunu tespit ettiğinde beyne bu saldırıyı bastırmaya yardımcı olacak uyarılar gönderebilir. Aynı zamanda bu arayüzü düzenli olarak kullanan kişi hiçbir şey hissetmeyecek ve kriz geçirmek üzere olduğunu bilmeyecektir.
Neuralink Ilona Maskesi diğerlerinden farklıinvaziv nöro-arayüzler, çünkü EEG'yi yazan elektrotlar çok ince filamentlerde (bir insan saçından daha ince) bulunur ve bir filament üzerinde çok sayıda elektrot bulunur.3 bin elektrota kadar kayıt yapmak mümkündür.Bu çok büyük miktarda veridir. Kortekste yer aldıkları göz önüne alındığında oldukça küçüktürler ve küçük bir nöron grubundan gelen sinyali yazarlar. Bu şekilde çok ince aktiviteleri yakalayabiliriz.
Mask teknolojisi, non-invaziv EEG - alan yayılımı (İngilizce "elektrik alan şiddeti" - "Yüksek teknoloji" den) kullanırken sık karşılaşılan sorunu kısmen çözmektedir.Non-invazif bir EEG yazdığımızda şunu üst üste koyarız:Başa takılan bir elektrot var ve büyük bir nöron grubundan kayıt yapıyor. Genel bir enerji alanı oluşturur. Farklı nöronlardan gelen elektrik alanları örtüşür ve birbirine müdahale eder. Yani belirli bir tür aktivite yazdığımızda aslında işlemeyi engelleyen birçok farklı aktivitemiz olur. Ve tüm istilacı arayüzlerle ilgili çok büyük bir sorun, vücudumuzun içine yabancı nesnelerin itilmesini istememesidir.
İnvaziv olmayan bir EEG, sürekli olarak kullandığımız bir EEG'dir.Esasen bunlar, üzerine yerleştirilen elektrotlardır.bir kapakla kafanın yüzeyi. Her elektrot belirli bir nöron grubunun aktivitesini kaydeder. Elektrotların konumu çok önemlidir çünkü işleme sonucunu büyük ölçüde etkiler.
Elektroensefalogram bir elektrik sinyalidir.Bu sinyalin işlenmesi radyofiziğin bir görevidir.Bu sinyalin özelliklerini izole etmek için geleneksel analiz tekniklerini kullanabiliriz. Görevimiz bu harekete karşılık gelen belirli kalıpları vurgulamaktır.
Sinirsel arayüzler yaratmanın temel zorlukları
Sinirsel bir arayüz oluşturmak neden bu kadar zor?Çünkü bunlar çok zor görevler:EEG'yi işleyin ve kalıpları tanımlayın. Entegre ve dikkatli bir yaklaşım gerektirirler. Birincisi, her insan tıpkı beyni gibi bireyseldir. Homozigot ikizlerin bile parmak izleri gibi çok farklı beyinleri vardır. Tüm insanlar için aynı şekilde çalışan tek bir evrensel sistem yaratamayız. Herkes için ayarlanması, kalibre edilmesi ve sürekli değiştirilmesi gerekiyor. Bir sonraki sebep, görevin özellikleridir. Her kişi aynı görevi farklı şekilde gerçekleştirebilir ve farklı etkinlikleri biriktirebilir. Sensörlerin yerleştirilmesi de bir insan faktörüdür. Farklı deneylerde sensörler biraz farklı konumlandırılabilir ama bu da çok önemli çünkü farklı bir aktivite yazacaklar. Bir diğer neden ise beynin tüm zaman ölçeklerinde durağan olmayan dinamikleridir. Bu, tüm zaman ölçeklerinde sürekli değiştiği anlamına gelir. Büyük bir EEG sinyali parçasını alıp saniyelere bölebiliriz ve her saniye farklı olacaktır. Beyinler sürekli değişiyor, gelişiyor ve dış çevreye uyum sağlıyor. Önemli bir sorun, EEG kayıtlarında ve artifaktlarda yüksek düzeyde gürültü olmasıdır. Kafa derisinin yüzeyine ve altına, deri ile kafatası arasına elektrotlar yerleştirdiğimiz için, çalışan, hareket eden ve EEG sinyali üzerinde bir tür motor artefaktlar yaratan kas lifleri bulunur. Ayrıca gözlerimizi sürekli hareket ettiriyoruz, göz kırpıyoruz ve tüm bunlar aynı zamanda sadece alındaki kanallarda değil, kafanın arka kısmında da görülebilen EEG'ye rehberlik ediyor. Üstelik kalbimiz atıyor. Hemen hemen tüm insanlarda EEG'de kardiyak artefaktlar mevcuttur. Deri altındaki damarlardaki kanın nabız atmasından kaynaklanırlar.
Tüm eserlerden kurtulmamıza yardımcı olacak harika yöntemler var.Yapıları kaldırabilir veya filtreleyebilirsiniz.Kalp atışı, okülomotor artefaktlara karşılık gelen bileşenleri kaldırmanıza ve EEG sinyalini ihtiyacımız olan aralıkta filtrelemenize olanak tanıyan yöntemler vardır. Daha sonra, sinyal analiz yöntemi olarak zaman-frekans analizi kullanılır. Her ritmin enerjisini değerlendiriyoruz ve hangisinin aradığımız etkiyle ilişkili bazı dinamikleri içerdiğini görüyoruz. Zaman-frekans analizi dalgacıkları, Fourier analizini vb. içerir.
Bir sonraki adım, beynin farklı alanları arasında işlevsel bağlantılar kurmaktır.Bir şey yaptığımızda (ellerimizi hareket ettiririz,el hareketlerini hayal edin), beyin bölgelerimiz senkronize veya senkronize olmayan şekilde etkileşime girer. Bu etkileşim sırasında birbirlerini etkilerler. Bu etkilere dayanarak, hangi bağlantıların güçlendirildiğini ve hangilerinin zayıfladığını açıklayan bir işlevsel bağlantılar ağı oluşturmak mümkündür ve buna dayanarak aktivitemizin nöronlar tarafından nasıl oluşturulduğu ve işlendiği ölçeğinde bir sonuca varabiliriz. tüm beyin. Yapay sinir ağları burada en umut verici olanıdır çünkü hızlı çalışırlar ve biyolojik nöron modeline dayanırlar.
EEG sinyali birçok bileşenden oluşan karmaşık bir yapıdır ancak karmaşıklığı zamanla ve ne yaptığımıza bağlı olarak değişir.Bu karmaşıklığın dinamiklerinden şunu anlayabiliriz:olur, onu değerlendirir, sınıflandırır ve buna dayanarak bir tür sınıflandırıcı yapar. Spesifik bir örnek, eserlerin kaldırılmasıdır. Diyelim ki çok kanallı bir EEG sinyalimiz var ve bu sinyal neredeyse tüm kanallarda girişime neden olan artefaktları gösteriyor. Ve okülomotor eserlere benziyorlar. Bağımsız bileşenler yöntemi kullanılarak kaldırılırlar. Her sinyal, kendi bilgilerini içeren çeşitli bileşenlere ayrıştırılır. Bunlardan biri sinyalde ihtiyacımız olmayan bir şeyi içeriyor; o okülomotor yapıtın ta kendisi. Alıp çöpe atıyoruz. İhtiyacımız olanı içeren temiz, daha bilgilendirici bir sinyal alıyoruz. Filtreleme temel bir şeydir.
Bir sinyal farklı frekans aralıklarında filtrelenebilir.Alfa ritmi (8–14 Hz) ve beta ritmi (15–30 Hz) -bunlar beynin motor aktiviteyi nasıl işlediğine dair en fazla bilgiyi içeren iki beyin ritmi, iki frekans bileşenidir. Hayali veya gerçek hareketleri sınıflandırmak istersek alfa ve beta ritmine yönelir ve onlar üzerinde bir desen ararız.
Bir model bulmak bir sınıflandırma görevidir.Yapabileceğimiz desene bakmak içinzaman-frekans analizi yöntemini kullanın. Bu model EEG'deki motor aktivitedir ve en yaygın olarak bahsedilen olayla ilgili senkronizasyonun bozulmasıdır. Alfa ritminin aktivitesini alıyoruz. Nasıl hareket ettiğimize dair birçok bilgi içerir. Bu bilgi şu şekildedir: Bir hareket yaptığımızda bilginin işlenmesinde görev alan nöronların sayısı azalır. Böylece alfa ritmi bastırılır. Genliği azalır ve daha az enerji üretir. Alfa ritminin bastırılması tüm hareket boyunca devam eder. Alfa ritminin düştüğünü görürsek o anda hareketin gerçekleştiğini söyleyebiliriz. Örneğin, bir kişi elini yumruk haline getirir. Alfa ritmi düşer, enerjisi azalır. Senkronizasyon bozuluyor ve bunu görebiliyoruz. Daha sonra kişi elini açar ve alfa ritmi yeniden sağlanarak normal durumuna döner. Bütün sorun, senkronizasyonun bozulmasının ortalama verilerde açıkça görülebilmesidir. Birkaç hareket alıyoruz, her biri için dalgacık yüzeyini hesaplıyoruz, ortalamasını alıyoruz ve parlak bir resim elde ediyoruz. Bir hareketi alıyoruz, dalgacık yüzeyini sayıyoruz ve hiçbir şey görmüyoruz. Bu hareket çok ince bir etki olduğundan hiçbir şey anlamıyoruz.
Ayrıca bakınız:
Satürn'de yazın neye benzediğini görün
Çöl tozunun Atlantik Okyanusu'na nasıl "aktığını" gösteren bir fotoğraf vardı
Hubble'ın halefi teleskopunun uzayda neler görebildiğini görün