Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 19 июля, печатный экземпляр отправим 23 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Новый взгляд на считывание активности мозга

Научный руководитель
Биология
08.03.2021
87
Поделиться
Библиографическое описание
Джандубаева, Я. В. Новый взгляд на считывание активности мозга / Я. В. Джандубаева, О. В. Чиркова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2021. — № 4 (45). — С. 34-37. — URL: https://moluch.ru/young/archive/45/2393/.


В 2011 году в Сан-Франциско (США) вьетнамско-австралийской предпринимательницей Тан Ли и доктором Джеффом Макелларом был открыт биоинформатический центр EMOTIV. Его главной задачей является продвижение понимания работы электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в массы. Как написано в разделе «О Нас» на официальном сайте компании: «Наша миссия состоит в том, чтобы дать людям возможность понять свой собственный мозг и ускорить исследования мозга во всем мире» [1].

Как уже можно было понять, EMOTIV занимается производством техники и специального оборудования, считывающего активность мозговых структур. Девайсы EMOTIV работают по принципу нейрокомпьютерного интерфейса (НКИ) или Brain–computer interface (BCI) [2], что позволяет отслеживать когнитивные показатели, эмоции и реакцию на виртуальные и физические объекты. Информация, полученная по итогам подобных исследований, помогает двигать человечество в таких областях, как искусство, психология, обучение, медицина, робототехника, автомобилестроение, транспортная безопасность, оборона и безопасность.

Уникальность техники EMOTIV заключается в доступности и относительной простоте использования. Также от большинства пользователей можно услышать восторженные комментарии [3], связанные с возможностью создания своего собственного софта ((от англ. «soft» — мягкий) способ заставить оборудование (hardware или «hard» от англ. жёсткий) работать по заданным вами алгоритмам) для его дальнейшего использования вместе с уже готовой к использованию техникой EMOTIV.

Для начала следует ознакомиться с видами интерфейсов мозг-компьютер [4] (нейрокомпьютерных интерфейсов) по типу подключения к человеку:

− погружной — вживление в мозг или сращивание с нервами;

− частично-погружной — электроды находятся на поверхности мозга или рядом с нервами;

− непогружной — электроды находятся на поверхности кожи или даже несколько удалены от нее.

По типу подготовки к работе:

− мокрые — требуют смачивания специальной жидкостью для лучшего контакта;

− сухие — не требуют смачивания.

По типу электродов:

− пассивные — улавливают сигнал и передают его дальше;

− активные — обратно сигнал они не передают — делают его первичную обработку непосредственно в месте прикрепления. Обратно сигналы передаются пассивными электродами.

Например, самый успешный девайс из линейки EMOTIV это Emotiv Epoc. Он является мокрым непогружным BCI (brain–computer interface) с пассивными электродами. Его и рассмотрим в качестве самого яркого примера.

Официальное название Emotiv Epoc звучит как mobile EEG Brainwear device — мобильный ЭЭГ брэйнвэар девайс. Слово Brainwear происходит от английских слов brain — мозг и wear — носить. В русском языке эквивалента нет, поэтому здесь и далее — девайс.

Визуальная составляющая

Визуально девайс представляет собой аппарат, схожий с наушниками, если бы те имели электроды. Устройство имеет 18 разъемов [5] для датчиков (они сменные, идут в комплекте с самим девайсом). В наборе 16 датчиков. В инструкции будет написано, что количество каналов равно 14. Что-то не сходится, верно? На самом деле это можно легко объяснить: каналов, предназначенных непосредственно для проведения сигналов, действительно лишь 14. Еще два канала являются опорными, отсюда 16. Но есть еще один интересный момент — при работе нейрокомпьютерный интерфейс ловит электрические сигналы не только от мозга, но и от мышц — это называется миограммой (миограмма, электромиограмма или ЭМГ — запись электрических сигналов, полученных в результате регистрации мышечных сокращений). Эти сигналы сильнее, чем от мозга и их нужно фильтровать. Именно для этого считывается дополнительный сигнал оттуда, где есть сигналы от мышц, но нет сигналов от мозга — это часто случается в точках височной области и в районе ушей. Таким образом мы получаем ответ на наш вопрос о 18 разъемах.

Реальная фотография аппарата с официального сайта EMOTIV

Рис. 1. Реальная фотография аппарата с официального сайта EMOTIV

Тем не менее, компания EMOTIV отказывается от ответственности, заявляя, что их продукты предназначены только для исследовательских целей и личного использования. «Наша продукция не продается как медицинское оборудование. Наши девайсы не предназначены для диагностики или лечения заболеваний» — написано на сайте компании [6].

Принцип работы

Для того, чтобы по-настоящему понять принцип работы Emotiv Epoc надо мысленно вернуться в 8 класс и вспомнить как устроена центральная нервная система (ЦНС). Наш головной и спинной мозг состоит из клеток, называемыми нейронами. Каждый раз, когда мы думаем, двигаемся, чувствуем или вспоминаем что-то, наши нейроны работают. Эта работа осуществляется за счет биохимических и электрических сигналов. Ученые могут обнаруживать эти сигналы и интерпретировать их значение с помощью технологии электроэнцефалографии (ЭЭГ). Перед началом работы датчики смачиваются жидкостью для линз, идущей в комплекте. Основным её компонентом является физиологический раствор, то есть раствор соли (NaCl) в воде с содержанием 0,9 %. Так как соленая вода является лучшим проводником тока, чем дистиллированная [7], электрические импульсы улавливаются лучше. ЭЭГ считывает сигналы из человеческого мозга и посылает их на так называемые усилители считывания (УС).Усиленные с помощью УС сигналы затем интерпретируются компьютерной программой BCI, которая использует сигналы для управления устройством [8].

BCI на основе ЭЭГ характеризуются техникой использования неинвазивных (непогружных) электродов для измерения мозговой активности и перевода записанных мозговых сигналов в команды. Затем технологии BCI передают эти команды алгоритмам машинного обучения. Алгоритмы машинного обучения были обучены улавливать на ЭЭГ мозговую активность, связанную с определенными эмоциями и действиями. Когда алгоритмы идентифицируют соответствующую активность мозга, BCI может передавать внешние команды для управления устройством (например, компьютерным курсором, роботизированной рукой или инвалидной коляской). Устройства были запрограммированы на интерпретацию и выполнение этих команд, будь то управление физическим объектом или цифровым интерфейсом. Зная это, будет несложно догадаться для чего могут применяться подобные алгоритмы. А конкретнее, для развития соответствующих технологий помощи людям с ограниченными возможностями — улучшения работы протезов и программ, управляемых лишь деятельностью мозговых структур (что полезно для, например, парализованных людей) [9, 10].

Интересные результаты

Лично для меня (автора) самой интересной частью нейропсихологии и анализа мозговой активности является реакция мозга на музыку. Исследованиями реакций электрических и биохимических процессов в головном мозге занимается интернет-блогер, предпочитающий не раскрывать имени, под ником @brainwavebtch (или ChridenArt) [11]. В социальных сетях автор ежедневно выкладывает удивительные рисунки, полученные с помощью индивидуально созданного софта (его основные положения не разглашаются).

Например:

https://sun9-61.userapi.com/impg/9pTlUDk9jm7cDLShm8VCVuQOQoLLjdSck7fxpg/HcDs4mWu9qY.jpg?size=750x499&quality=96&sign=31b04e74847a09897240137ed05a955c&type=album

Так выглядит активность мозга во время прослушивания автором легендарной песни Smells like teen spirit от группы Nirvana [12]. Безусловно, картинка может отличаться — это зависит от слушателя. Вашей бабушке явно не понравится звонкое звучание громких гитарных риффов, соответственно, изображение будет более тусклым.

Но, как заявляет автор, он является большим фанатом рока — за счет этого перед нами очень интересное изображение.

https://sun9-66.userapi.com/impg/JVtMobwI89ckXMzl_am9L1c4L3zA3lzS-dKgsw/XvB_GUhSCkc.jpg?size=750x747&quality=96&sign=1e9b7260e0788d393a96573eed6532f3&type=album

Тут речь уже не о музыке, это можно понять по характеру расположения “волн”. Данное изображение отражает реакцию испытуемого на секреты любимого человека. Мозговая активность повышается — получается интересная картина.

Ответ на главный вопрос

В чем же заключается новизна взгляда на считывание активности мозга? Ответ прост: в мобильности, доступности, простоте и настраиваемости под пользователя. Все это, конечно же, относительно. Цена за аппаратуру EMOTIV может достигать нескольких тысяч долларов. Тем не менее, при разовой покупке товар остается у вас навсегда. Его можно сдавать в аренду, что является актуальной услугой на территории СНГ за счет отсутствия здесь аналогов товарам EMOTIV. Средняя цена же за разовое посещение ЭЭГ представляет собой 7000 рублей [13] и оно не даст вам особо интересных результатов, которые вы можете получить, проводя индивидуальные исследования.

Литература:

  1. https://www.emotiv.com/about-emotiv/
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Brain%E2%80%93computer_interface
  3. https://habr.com/ru/post/115055/
  4. http://learn.neurotechedu.com/introtobci/
  5. https://www.youtube.com/watch?v=rILMi8mcNGc&ab_channel=emotivstation
  6. https://www.emotiv.com/
  7. https://vk.com/away.php?to=http%3A%2F%2Frl.odessa.ua%2Fmedia%2F_For_Liceistu%2FPhysics%2FPyoryshkin_Fizika-8.pdf&cc_key=
  8. https://www.emotiv.com/bci-guide/
  9. https://nplus1.ru/material/2019/09/16/neurointerface
  10. https://www.youtube.com/watch?v=76lIQtE8oDY
  11. https://www.instagram.com/brainwavebtch/?igshid=124arywtcqfhx
  12. https://www.youtube.com/watch?v=hTWKbfoikeg&ab_channel=NirvanaVEVO
  13. https://www.google.com/search?q=%D1%86%D0%B5%D0%BD%D1%8B+%D0%BD%D0%B0+%D1%8D%D1%8D%D0%B3&rlz=1C1CHBD_ruRU937RU937&oq=%D1%86%D0%B5%D0%BD%D1%8B&aqs=chrome.2.69i59j69i57j35i39j0i433j0j0i433l2j0l2j0i433.2846j0j7&sourceid=chrome&ie=UTF-8
Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью

Молодой учёный