Контрольная работа: Нейро-компьютерный интерфейс

Суть идеи заключается в том, что нужно получать сигналы вовсе не от нейронов, ответственных за движение, а из тех зон коры, что отвечают за намерение совершения действий . Это могло бы сделать работу системы намного более быстрой.

К примеру, чтобы сделать что-то с объектом на экране, совсем не нужно двигать к нему курсор – достаточно мысленно назначить нужный объект, находящийся в поле зрения, и курсор сразу же, безо всяких перемещений, окажется там, где нужно.

Ещё одна проблема заключается в том, что электроды, внедрённые в мозг, повреждают ткани . Причём разрушение происходит не только в момент введения электрода, но и при его нахождении в мозге.

Поделать с этим ничего нельзя, ведь сейчас электроды металлические, но даже если их изготавливать из более мягких материалов, они всё равно будут травмировать. И даже если это не вредит нервной системе, то мешает работе самого электрода: в месте его внедрения образуется рубцовая ткань, которая ухудшает контакт . Из-за этого, спустя какое-то время, мозг начинает хуже воспринимать импульсы от внешней аппаратуры.

Существуют попытки решить эту проблему. Например, учёные из исследовательского коллектива одного Кливлендского медицинского центра считают, что справиться с проблемой поможет биомиметическая (то есть подражающая живой природе) стратегия. По их мысли, для электродов нужно использовать материал, который будет, как и полагается, «втыкаться» в кору мозга, а потом размягчаться. Интересно, что этот материал они разработали, опираясь на знания о структуре кожи морского огурца.

Как можно узнать из их статьи, вышедшей в журнале Science, полимер, созданный учёными, в обычном состоянии по твёрдости напоминает пластик, из которого делают компакт-диски. В другом состоянии он сравним с мягкой резиной. Чтобы уменьшить твёрдость материала, нужно всего лишь опустить его в очищенную воду. Ценно то, что "переключение" между этими состояниями происходит достаточно быстро.

В реальности, скорее всего, ничего в воду окунать не придётся: организм содержит достаточно жидкости, которая прекрасно размягчит электрод на основе полимера. А в случае нейрохирургических операций её роль сможет сыграть спинномозговая жидкость.

Увы, создатели нового полимера ничего не рассказали о том, какова электропроводность их материала. Она ведь должна быть высокой, ибо электрод на то и нужен, чтоб проводить ток. Конечно, можно просто сделать кусочек такого полимера, с вставленными внутрь тонкими металлическими проводками (которые, в принципе, мягкие сами по себе). Можно использовать и бактериальные провода, но это уже совсем фантастика.

Внешние датчики

Вышеназванные проблемы побуждают задумываться об иных подходах к созданию НКИ. Главной альтернативой тут безусловно является внешнее детектирование мозговых импульсов человека.

Способы получения информации о состоянии мозга здесь разнятся. Вот основные из них:

▪ электроэнцифалография;

▪ функциональная магнитно-резонансная интроскопия;

▪ оптическая типография (инфракрасное детектирование потоков крови).

Суть подхода на основе ЭЭГ

Мозговые ритмы — электрические процессы, протекающие в мозге, характеризующиеся амплитудой и частотой, позволяющие определить степень возбуждённости/активности мозга, а соответственно, — и состояние сознания.

????????? ?????????? ? ????????????. ??????? ?????????? ? ??????. ?? ????????? ??????????????? ???????? ????? ?????????????? ? ???????????? ? ??????? ?????????? ????????. ???, ??????-????? ? ????? ?????????, ?? ???? ?????????????? (?? 1-2??). ????-????? ????? ??????? 3-6??, ?????-?????? 7-13??, ????? ???? ????-????? ? ????? ???????, ?? 14?? ? ????.

Любое движение, восприятие или внутренняя мыслительная деятельность связаны с определенным паттерном активации нейронов, которые взаимодействуют друг с другом посредством электрических импульсов. Эти токи создают электромагнитное поле, которое можно зарегистрировать снаружи головы с помощью методов электроэнцефалографии (ЭЭГ) и магнитоэнцефалографии (МЭГ).

Метод ЭЭГ, разработанный Гансом Бергером в 1929 году, в течение многих лет успешно используется для 3 целей:

· диагностики неврологических расстройств в клиниках и госпиталях;

· для исследования функций мозга в нейрофизиологических лабораториях;

· для терапевтических целей на основе биологической обратной связи.

Очевидно, что в основе НКИ на основе ЭЭГ должно лежать распознавание паттернов биопотенциалов мозга. Если испытуемый может изменять характер своих биопотенциалов, например, выполняя определенные умственные задачи, то система НКИ могла бы транслировать эти изменения в контрольные коды, например по перемещению курсора мыши на экране компьютера или руки робота-манипулятора. Также эти коды можно использовать для выбора букв на «виртуальной клавиатуре» или для контроля инвалидной коляски.

В состав НКИ системы на основе ЭЭГ входят:

· Электроды для отведения биопотенциалов. Минимальное количество - 2, чаще записи производят с помощью 21, 64 и даже 128 каналов. При большом количестве электродов используют электродные шлемы для быстроты установки и увеличения точности позиционирования электродов над определенными полями мозга, а также воспроизводимости их расположения от эксперимента к эксперименту.

· Усилитель биопотенциалов, подключаемый к компьютеру либо напрямую (например, через USB порт), либо через интерфейсную A/D карту.

· Персональный компьютер для регистрации сигналов и их обработки. Так как во многих системах используется элементы biofeedback, то либо этот же компьютер, либо дополнительный ПК показывает испытуемому стимулы и результаты распознавания, например, вводимый текст.

· Программное обеспечение для регистрации и обработки ЭЭГ, распознавания паттернов и предъявления стимулов и результатов распознавания.

Ключевые события в истории развития методики

Специалисты берлинского Института компьютерной архитектуры и программных технологий Фраунгофера (Fraunhofer Institute for Computer Architecture and Software Technology) разработали устройство, которое даёт возможность манипулировать объектами на экране компьютера, читая сигналы человеческого мозга с помощью датчиков.

Целью их было создание устройства, управляемого мозгом, которое бы дало возможность людям с ограниченной подвижностью общаться с внешним миром. Даже если человек полностью парализован и не может двигать глазами, его мозг вырабатывает сигналы, которые снимаются 128 датчиками. При помощи программного обеспечения отфильтровываются специфические импульсы, которые распознаются и определяют необходимые действия.

Система способна самообучаться и идентифицировать «палитры» сигналов для каждой личности индивидуально. Сейчас Brain Computer Interface позволяет, передвигая мысленно курсор, выбирать необходимые буквы на экране.

Для набора фразы требуется от 5 до 10 минут. Ещё сложнее с датчиками - для их установки требуется примерно час. Спикер института Мирьям Каплов (Mirjam Kaplow) говорит, что скачок в развитии данной технологии произойдёт, когда они разработают бесконтактные датчики. Данное устройство будет выглядеть как шлем, с его помощью можно будет также проводить диагностику пострадавших больных на месте происшествия.