Brain Computer Interface — нейрокомпьютерный интерфейс

Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) (называемый также прямой нейронный интерфейс или мозговой интерфейс) — система, созданная для обмена информацией между мозгом и электронным устройством (например, компьютером). В однонаправленных интерфейсах внешние устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы (например, имитируя сетчатку глаза при восстановлении зрения электронным имплантатом). Двунаправленные интерфейсы позволяют мозгу и внешним устройствам обмениваться информацией в обоих направлениях. В основе нейрокомпьютерного интерфейса, часто используется метод биологической обратной связи.

Интерфейс мозг — компьютер — это технология, позволяющая человеку научится прямой коммуникации с внешним миром без посредства нервов и мышц, только на основе биопотенциалов мозга.

Основные области для применения данного интерфейса — в медицинских, исследовательских учреждениях и медиа и игровая индустрия.

На данный момент благодаря BCI интерфейсу, стало возможным общение с парализованными больными, также протезирование и лечение некоторых болезней. В исследовательских целях, этот интерфейс позволяет узнать какие участки мозга отвечают за зрительное, эмоциональное восприятия и т. д. В игровой индустрии этот метод еще не практикуется, однако проводились эксперименты, где испытуемые играли на компьютере при помощи взгляда.

Технологии Нейрокомпьютерного интерфейса.

Все существующие технологии НКИ можно разбить на два направления — непосредственное взаимодействие с нейронами с вживлением в тело специальных устройств и снятие внешних сигналов (в основном, импульсов мозговой активности) с помощью наружных датчиков.

Второй вариант наиболее часто используется так как наиболее прост в применении, но его минус это меньшая чувствительность датчиков, т.к. они удалены от самого мозга и импульсы проходя через череп, через мягкие ткани и жидкости создают шумы.

При вживлении в мозг самих датчиков, чувствительность их лучше и они точнее могут определять какие и откуда идут импульсы, однако это требует сложной операции. И со временем вокруг них образуются рубцы которые тоже создают шумы, помимо этого существует опасность занесения инфекции.

Системное описание BCI.

На данном примере можно рассмотреть систему ИМК. Первоначально человек о чем-то думает, выбрав букву или объект на мониторе. В этот момент устройство ЭЭГ/ЭМГ считывает изменения биопотенциалов мозга и передает их в BCI управление. Производится предварительная обработка этих сигналов, затем отбирается сигнал который наиболее четко выражен в данный момент. Функция переводчик (преобразования) воспринимает этот сигнал как эмоциональное состояние человека и выводит результат на экран через Биологическую обратную связь, и круг повторяется до оптимального результата. Второе направление функция переводчика может отправлять в блок обработки намеренных движений, которое разобрав что требуется отправляет сигнал на Сенсорное устройство управление (Haptic) которое передав данные Сенсорному устройству восстановления (Haptic) производит движение или какой-то процесс о котором думал человек.

1. Морфологическое описание:

BCI интерфейс довольно сложная система, и чтобы разобраться в ней разобьём её на составляющие.

• · Элементы:
• · Элементы это некоторые объекты (материальные, энергетические, информационные), обладающие рядом важных свойств и реализующие в системе определенный закон функционирования F^S, внутренняя структура которых не рассматривается.
• · В Нейрокомпьютерном интерфейсе существуют следующие Материальные элементы:
  • 1. Компьютер, на котором производится обработка информации
  • 2. Специальное оборудование для энцефалографии/электромиографии (в т.ч. усилители)
  • 3. Человек (или испытуемый объект, животное)
  • 4. Мозг

Энергетические элементы:

• 5. Биопотенциалы мозга
• 6. Электрические импульсы

Информационные элементы:

• 7. Операционная система
• 8. Специальный софт (программы)
• 9. Визуальная информация получаемая человеком или устройством
• 10. Тактильная (сенсорная) информация.
• · Связь:

Связь — это вид отношений между элементами, который проявляется как некоторый обмен (взаимодействие), как правило, в исследованиях выделяются внутренние и внешние связи.

• 1. Внешняя связь в данном примере, это контакты которые прикрепляются к объекту (в виде шапочки с электродами) либо сами электроды, которые вживляются в кору головного мозга. А также провода, которые связывают электроды и принимающее устройство.
• 1.2. Так же это визуальная связь человека, который, к примеру смотрит на специальную программу на экране. Также может быть звуковая, тактильная связи.
• 2. Внутреннюю связь можно разделить:
• 2.1. Программная (всевозможный софт, драйвера, специальные программы для обработки снимаемой информации с датчиков)
• 2.2. Энергия, или же электрические импульсы проходящие в мозгу, которые считывают электроды и датчики.
• 2.3. Байты информации, которые идут от датчиков. Впоследствии обрабатываемые специализированными программами.
• · Структуры

Структура — это система, для описания которой используется только позиционная (тополого-геометрическая) информация. (Смолянинов).

Она включает в себя:

• 1. Человека, или объект (мозг животного) который подвергается сканированию
• 2. Аппаратную связь — интерфейсы ввода-вывода, сканирования
• 3. Программную связь — ОС, софт, программы для обработки полученных данных
• 4. Компьютер — обрабатывающий данные, и выдающий результаты на экран
• 2. Функциональное описание:

Функциональное описание (функциональная модель) должно создать правильную ориентацию в отношении внешних связей системы, ее контактов с окружающим миром, направлениях ее возможного изменения.

Функциональное описание исходит из того, что всякая система выполняет некоторые функции: просто пассивно существует, служит областью обитания других систем, обслуживает системы более высокого порядка, служит средством для создания более совершенных систем.

BCI интерфейс, в данном примере обслуживает систему более высокого порядка, а точнее в некоторых случаях является «языком общения» между системами. Парализованные люди, лишенные возможности общения, наконец могут стать полноценными членами общества, они могут общаться благодаря BCI. Так же инвалиды, вследствие травмы и потери конечности, могут благодаря BCI чувствовать себя более уверенно и совершать движения протезируемыми конечностями через этот интерфейс.

Функциональное описание BCI интерфейса, можно разделить:

• · Процессы:
  • 1. Обмен биоэлектрической активностью мозга
  • 2. Обмен преобразованными данными (возможно в обе стороны)
  • 3. Преобразование биоэлектрических сигналов в аппаратные
• · Функции:
  • 1. Функция движений (протезирование)
  • 2. Функция дистанционного управления (движение курсором на экране)
  • 3. Функция сканирования (выявление нужных участков мозга) К примеру, для диагностики неврологических расстройств, чтобы выявить и при возможности изолировать нужную область мозга.
  • 3. Атрибутивное описание

Свойства и признаки. НКИ — интерфейс, позволяет использовать его во многих сферах деятельности, и любым человеком. Чаще всего человеку требуется некоторое время, порядка нескольких часов, чтобы настроить под него программу, и он может управлять через НКИ с точностью 70−90%.

Наиболее качественное управление происходит при вживлении датчиков в мозг, но как уже писалось выше это трудоемкий, затратный и опасный для пациента процесс. Поэтому опыт их использования ограничен полностью обездвиженными пациентами, для которых ИМК становится единственным средством передать свои намерения внешнему миру. Таких операций в мире уже сделаны десятки, и они показали свою эффективность. Исследования по их совершенствованию проводятся в основном на обезьянах.

Что касается протезирования, то пока ИМК управляют достаточно простыми устройствами с малым числом степеней свободы. Например, управление искусственной рукой производится обобщенными командами: «Схватить», «Отпустить», «Сжать кулак», «Разжать» и т. д. В этом случае движение заранее программируется, и по команде «Схватить» манипулятор движется по заранее заданной траектории, и его пальцы хватают предмет, расположенный в заданном месте пространства. По команде «Поднести ко рту» манипулятор опять совершает заранее запрограммированное движение и подносит стакан к точке пространства, где заранее запланировано положение рта. Пациенту, управляющему таким манипулятором, нужно подвести рот к нужной точке.

Сколько различных намерений человека можно распознать с помощью ИМК и сколькими степенями свободы можно управлять независимо — это один из важных вопросов, которые в настоящее время решаются исследователями ИМК. Но уже довольно точно можно сказать что интерфейс ИМК очень востребован в медицине, и игровой индустрии.

Заключение

С точки зрения потенциальной производительности и способности управлять внешними устройствами с большим числом степеней свободы наиболее перспективными представляются инвазивные ИМК, основанные на преобразовании в команду для внешнего устройства активности большого числа отдельных нейронов. Это ИМК, разрабатываемые группой Николелиса. Уже в настоящее время их информационная производительность может достигать 100 бит в минут, а число степеней свободы может превосходить два. Однако для их практического внедрения имеются существенные трудности: вживленные в мозг электроды зарастают соединительной тканью, что уменьшает время их эффективной работы, а открытое трепанационное отверстие, через которое проходит соединительный кабель, является потенциальным источником опасности инфекционного заражения. Имеется высокий этический порог их использования, т.к. они требуют операционного вмешательства в мозг. Технология является очень дорогой. Кроме того, их эффективность на настоящий момент сравнима с той, которую обеспечивают наилучшие неинвазивные ИМК. интерфейс нейрокомпьютерный мозговой Неинвазивные ИМК разделяются на два класса: одни требуют минимального, другие — достаточно большого времени для обучения и овладения навыком их использования. Из тех, которые требуют минимального обучения, наиболее перспективными представляются ИМК, основанные на классификации паттернов ЭЭГ, соответствующих воображению различных типов движений. Берлинский ИМК, основанный на воображении движений разных конечностей, уже сейчас достигает информационной производительности 35 бит в минуту и требует для обучения всего 20 минут. В свою очередь, ИМК, требующие длительного обучения испытуемых, могут иметь и значительно более высокую производительность и, к тому же, обеспечивать возможность одновременного непрерывного управления несколькими степенями свободы. В частности, информационная производительность Водсвортского ИМК, требующего для обучения испытуемых нескольких месяцев, уже сейчас может доходить до 100 бит в минуту. Как показывают эксперименты, показатели этого ИМК могут быть существенно улучшены как по производительности, так и по скорости обучения испытуемых.