Въведение на Techy в невронауката

Някои факти, които искам да знам, когато започнах да хакна ЕЕГ

Знам, че съм казвал това и преди, но си струва да кажа отново: живеем в невероятни времена. Вече можем да провеждаме експерименти с невронауката в комфорта на собствените си домове, използвайки оборудване, което доскоро беше много скъпо и се предлагаше само в изследователски лаборатории / университети. Сега, когато оборудването стана по-лесно достъпно, все повече хора изследват какво могат да направят с технологията и има късмет за нас, има световна общност от изследователи, която е достъпна онлайн.

През последните няколко месеца попаднах в удивителния свят на невронауката и научих много - макар че в този процес понякога се обърквах от всички технически и специфични за домейна термини, когато се опитвах да чета статии или разгледайте примери.

В този пост ще се опитам да обобщя всичките си научения от изминалата година. Докато аз ще представя тези неща от моя гледна точка като уеб разработчик, почти съм сигурен, че това въведение ще бъде полезно за всеки, който се интересува да влезе в темата.

Искам да благодаря специално на Александър Барачант и Хуберт Банвил от общността NeuroTechX. Прекараха много часове, помагайки ми да намеря своя път като начинаещ в света на невронауките и голяма част от информацията, представена тук, за първи път ми беше представена от тях.

BCI? ЕЕГ?

Идвайки към невронауката от компютърен произход, два от първите термини, които срещнах, бяха „BCI“ и „EEG“. BCI означава Brain Computer Interface (или BMI за Brain Machine Interface). BCI е по същество всеки метод, който директно прехвърля информация между мозък и някакво външно устройство, обикновено научен инструмент или, за нашите цели, компютър.

Методът BCI е съставен от три части:

  • Мозъчен сензор (EEG, fNIRS, ECoG, fMRI и др.)
  • Декодиращ алгоритъм, който превежда мозъчната активност, измерена със сензора, в команда
  • И машина (или компютър), която изпълнява командата

ЕЕГ е може би най-разпространената модална сензорност в BCI. EEG означава електроенцефалография. За да бъда честен, никога не си спомням тази дума - важното е да запомните, ЕЕГ записва електрическата активност около скалпа, използвайки електроди, за да измерва мозъчната активност. Това е много груб, неточен начин за измерване на мозъчната активност - тъй като електромагнитните вълни са отслабени от черепа. Въпреки това, все още има много интересни неща, които можем да направим с ЕЕГ, а фактът, че той е неинвазивен - за разлика от ЯМР, не изисква специфична среда, в която да се правят показания - означава, че това е отличен кандидат за преодоляване у дома.

Има няколко други техники за био-сензори, които използват подобен метод за измерване на тялото ви - ЕКГ за измерване на сърдечната активност (вижте по-долу), ЕМГ за измерване на мускулна активност и ЕОГ за измерване на движенията на очите (за това ще говорим по-късно). Всичко по-горе работи, като измерва разликата в електрическото напрежение между две или повече точки в тялото ви.

В допълнение към ЕЕГ има и редица други BCI, като fMRI, но тъй като не сте в състояние да правите fMRI и много от другите BCI у дома (все още!), Ще се съсредоточим върху EEG.

На първо място: някои неща, които трябва да знаете за ЕЕГ

Когато за първи път научих за ЕЕГ, открих, че имам няколко идеи за ЕЕГ, които не съвпадат с реалността ... така че, преди да се потопим в спецификата, бих искал да отделя малко да разясня няколко неща.

Наистина не можете да „четете мозъка“ в графиката на ЕЕГ. Когато първоначално започнах с ЕЕГ, очаквах, че мога да се науча как да "чета умовете" чрез ЕЕГ графиките и да развия някаква способност да казвам какво означава всеки шип в неговия контекст. По-късно открих, че нещата, които можете да видите в графиката, са предимно шум и неща, които не са „ЕЕГ“, като например мига на очите, стискане на челюстта.

С ЕЕГ ще можете да видите само много силна мозъчна активност, като епилептичен припадък (който наистина се надявам, че никога няма да ви се наложи). Общото правило е: "Ако можете да го видите с очи без помощ, вероятно това не е ЕЕГ."

За нещо повече от това, ще трябва да обработите тези данни и в някои случаи да стартирате няколко повторения на експеримента, докато реално не получите сигнала, който търсите. Така че запомнете: добрата ЕЕГ графика е чиста.

Не можете да четете мисли. Не можете да получите много специфична информация с помощта на ЕЕГ, например това, което пациентът вижда или чува. Единствената информация, която получавате в сбора от активността на много неврони в мозъка ви - само някога ще успеете да идентифицирате нещо, ако това е наистина драстично и включва много неврони, които изстрелват в синхрон.

Често срещана аналогия стои пред голям спортен стадион - няма да можете да чуете конкретни разговори между хората вътре в стадиона, но ще можете да различите празен стадион срещу много пълен стадион и вие също ще можете за да откриете кога е отбелязан гол - тъй като ще чуете внезапни силни аплодисменти и аплодисменти, идващи от публиката в синхрон.

ЕЕГ не работи за всички. Някои хора имат онова, което наричат ​​„БПИ неграмотност“, т.е. не можем да вземем никакъв сигнал за конкретни модели на мозъка по някои теми. Това всъщност е доста често срещано - около 20% от населението има някаква неграмотност по BCI и има проучвания как да се работи около това.

EEG е ПРОЧЕТЕН. Често ме питат дали ЕЕГ слушалката може да се използва за инжектиране на мисли или да променя поведението на хората, като влияе върху мозъка им. Краткият отговор е не: не можете да контролирате умовете на хората с ЕЕГ.

Въпреки че за какво си струва, мисля, че бих бил добронамерен контролер на ума ...

Това, което можете да направите, е да предоставите Neurofeedback, който може да се използва за опит и промяна на поведението (използвайки контура за обратна връзка: мозък → EEG → физическо действие / съобщение → мозък). Neurofeedback често се използва, за да се опита да научи пациента как да постигне по-добър контрол на мозъка си и понякога се използва за лечение на състояния като ADHD и мигрена, въпреки че ролята на ЕЕГ при подобни лечения е съмнителна.

Здравей свят

В програмирането „Hello World” е най-първите начинаещи на програми, които пишат на език - програма, която отпечатва „Hello World”. В електрониката това обикновено става чрез мигане на светодиод.

С EEG моят Hello World засича мига на очите. След това изградих малка демонстрация, в която можете да играете играта Chrome Offline T-Rex само с очи. Създаване и на двете демонстрации, изискващи по-задълбочено разбиране за това какво е EEG и как работи, и се опитах да обобщя наученото в секциите по-долу.

Както винаги, ако имате въпроси или мисли, уведомете ме в коментарите по-долу :-)

Напрежение / потенциална разлика

Едно нещо, което е важно да отбележим, преди да започнем, е, че "напрежението" и "разликата в потенциала" често се използват взаимозаменяемо при обсъждане на ЕЕГ и невронауката. Това е така, защото напрежението се определя като разлика в потенциала между две точки: тъй като напрежението се измерва сравнително, винаги трябва да посочите две точки, когато говорите за напрежение.

Системата 10–20

Едно от нещата, които в началото открих като вид сплашване, бяха всички тези намеци за неща като „FP7“ и „TP10“. Тогава научих, че това са само позиции, част от системата 10-20, която учените използват, за да отбележат къде на скалпа поставят електродите, когато правят тестове / изследвания с ЕЕГ.

Когато използвате налични в търговската мрежа продукти, за да правите свои собствени ЕЕГ експерименти, през повечето време те вече ще определят с кои електроди трябва да работите, така че не трябва да се притеснявате твърде много за системата 10-20 , Например, версията за 2016 г. на устройството Muse е насочена към електродите AF7, AF8 TP9 и TP10.

10–20 Маркери на системата, като използваните от слушалките Muse се извикват в синьо.

Диаграмата, показана по-горе, е изглед отгоре на главата, „нацията“ е носът, след това страните (A1 / A2) са ушите, а INION е задната част на главата, или по-технически, „стърчащата част на тилната кост в основата на черепа. "

Четене на EEG графиката

Ако някога сте виждали графика на ЕЕГ, това на пръв поглед може да бъде объркващо - става много. Нека се опитаме да го осмислим заедно - всеки елемент в графиката представлява сигнала, избран от различен електрод. Хоризонталната ос (X-ос) е времето, а вертикалната (ос Y) е напрежението, записано в този момент от време между съответния електрод и референтния електрод (помнете? Напрежението е разликата в електрическия потенциал между две точки) ,

По-долу можете да видите пояснена EEG графика, записана от Александър Барачант с помощта на ново устройство за слушалки EEG, което той в момента разработва. Графиката се записва за период от 10 секунди, като се използват 8 електрода, разположени на FP1, FP2, P3, Pz, P4, POz, O1, O2 (виж по-горе относно системата 10-20).

Към графиката добавих няколко маркера, показващи функции като Алфа вълни (зелен маркер), 4 мига на окото (лилав маркер) и един Челюстен кран (циан маркер). Ние скоро ще обсъдим тези неща.

Мозъчни вълни: Алфа, Бета, Делта, Тета

Мозъчните вълни са невронни трептения или по-просто неврална дейност, която се случва с определен ритъм. Подобно на други видове вълни, ние измерваме този ритъм по отношение на честотата, използвайки мерната единица на Hertz. Така например, ако имате невронна активност, като напрежението се увеличава и намалява 7 пъти в секунда, това би било мозъчна вълна от 7Hz.

Често срещаните мозъчни ритми получават съкратени имена, за да се позовават в изследвания, като Алфа, Бета и Тета мозъчни вълни. Бета вълните, например, са тези в диапазона 12.5Hz – 30Hz. Виждате ги нормално, докато обектът е буден. От друга страна, гама вълните се използват за обозначаване на по-бърз ритъм, обикновено над 40Hz и някои изследователи смятат, че са свързани с фокус, внимание и медитация. Вярвам, че това е научната идея зад Muse EEG Headset, която трябва да се използва за подпомагане на медитацията (наред с други неща).

Делта вълните, изненадващо, имат много по-бавна честота (между 0,5 и 2Hz) и освен това са доста по-силни: сигналът отива много по-високо от другите видове вълни. Те са свързани с етапите на дълбок сън, така че е прост начин да се измери дали обектът изпитва дълбок сън. Изследванията показват, че намесата в съня по време на етапа на делта вълните причинява умора и мускулна болка.

И накрая, друг вид вълни, наречени Алфа вълни, изглежда се появяват в части от мозъка, които в момента са празни. Честотата им е около 7,5Hz - 12,5Hz и най-лесният начин да ги наблюдавате е да поставите ЕЕГ електрод в задната част на главата си до вашия Visual Cortex и след това да затворите очите си. Неработещите неврони във визуалната кора ще започнат да излъчват тези алфа вълни синхронно и трябва да можете да разпознаете шаблона в графиката. Това също е добър начин за бързо тестване на вашата ЕЕГ настройка: ако не видите Алфа вълните, когато затворите очи, значи определено нещо не е наред (е, искам да кажа - трябва да ги видите, след като ги отворите отново, разбира се…).

Ето екранен кадър от моето приложение за ъглови музи, показващ Alpha вълни. Точката, маркирана с червения маркер, е, когато отворих очи и можете да видите както потенциалната разлика, причинена от движението на очната ябълка (EOG - вижте по-долу), и след това промяната в шаблона. Беше измерено в TP9 - близо до ушите ми, не е оптимално място за търсене на Visual Cortex Alpha вълни, но те са достатъчно силни, така че все още могат да се видят там:

Ето и Алфа вълни! Червената стрелка показва момента, в който отворих очи

ERP - потенциал, свързан със събития

Потенциалът, свързан със събития (ERP), е просто шип, който можете да измервате с EEG оборудване, което се случва в отговор на стимул. Например, всеки път, когато видите лице, отрицателен скок на напрежение, който се появява приблизително 170 милисекунди в графиката на ЕЕГ (той работи дори за части от лицето, например очи).

Нека да разгледаме няколко примера, за да стане по-ясно:

P300

P300 е положителен шип, който се появява около 300 милисекунди след стимул, който предизвиква интереса ви. Например, ако чакате приятел да ви вземе и има много коли, които минават покрай вас, вероятно ще имате положителен скок на напрежението всеки път, когато видите кола, наподобяваща колата на вашия приятел. P300 е най-добре да се вземе отзад на главата - около POz или Pz (вижте 10-20 система по-горе).

Например, нека да разгледаме играта за мозъчни нашественици, разработена от Александър Барачант по време на първия му пост-док, който показва P300 в действие. Това е стандартната игра за нашественици с обрат - на всяко ниво трябва да унищожите по един конкретен нашественик, който е маркиран с червен кръг в началото на нивото. Трябва да го направите, като се съсредоточите върху този нашественик и преброите броя пъти, когато той бъде подчертан. Самата игра подчертава различен подмножество на нашествениците, за няколко повторения и всеки път след като подчертава подмножество, търси положителен сигнал 300 милисекунди след осветяването (това е P300!).

Тогава той търси нашественик, който се е появил във всички различни подмножества с сигнала P300 и този нашественик е унищожен. Ако приемем, че сте се съсредоточили върху нападателя на целта, само подмножествата, които го подчертават, ще показват P300 и тогава той ще бъде унищожен и ще спечелите нивото. Ето как изглежда в действие:

Можете да прочетете повече за играта тук или да разгледате изходния код.

Друг интересен случай на използване е заглавието на базата на P-300, където потребителят може да изписва думи, като се фокусира върху буквите, които иска да напише една по една, където след това буквите стават подчертани по подобен начин на играта на нашествениците:

Човекът във видеото използва EEG слушалки, наречени Emotiv. Ето още една демонстрация на P300, където също можете да видите как системата е тренирана. Той е изграден около системата Cognionics Dry EEG.

Въпреки че скоростта на една дума в минута (или по-малка) може да не изглежда впечатляваща, има хора, за които това може да е единственият им начин за комуникация (напр. Синдром на заключване, където предварителните изследвания показват обещаващи резултати за използване на тази технология в диагноза). Използването на предсказване на „интелигентна следваща дума“ също може да помогне за ускоряването й, което позволява много по-ефективна комуникация. Може би затова Facebook също гледа в тази посока.

N170, N100 и други интересни ERP

N170 е отрицателен шип, който се появява приблизително 170 милисекунди след като видите лице или част от лицето, като очи.

N100 е antoher вид ERP и както можете да се досетите по името, се появява приблизително 100 милисекунди след неочаквани стимули, когато сте в бездействие, като силен шум, внезапна болка и т.н. Един пример за клинична употреба е за слухово използване системни тестове в случаите, когато пациентите не могат да дадат обратна връзка, например когато са в кома.

SSVEP

SSVEP означава Steady State Visual Evoked Potentials. Въпреки сложното име, всъщност означава, че ако ви покажа източник на светлина, който се движи с определена честота (3,5 до 75 пъти в секунда според Wikipedia), мозъкът ви ще вземе тази честота и вие ще можете да за да го видите в мозъчните вълни.

Дължината на стимулите, от която се нуждаете честотата, за да се покаже в ЕЕГ графиката, зависи от честотата, но 1 секунда трябва да е достатъчна за всяка честота, по-голяма от 10Hz.

20Hz SSVEP стимули. Фокусирайте се върху него и мозъчните ви вълни ще започнат да танцуват в ритъма

Подобно на SSVEP, също има SSAEP за аудио и SSSEP за сетивни стимули.

ЕКГ, ЕМГ, ЕОГ чрез ЕЕГ

Тези три термина се отнасят до измерване на сърдечната дейност, мускулната операция и движенията на очите чрез записване на електрическа активност, подобно на това, което правим с ЕЕГ. Всъщност EEG устройство може лесно да избере всичко по-горе!

Например, с устройството Muse, ако докосна предните електроди с дясната ръка, и ушните електроди с лявата ръка, ще видя много ясна ЕКГ графика, показваща електрическата активност на сърцето ми:

Вижте сърцето ми бие в тази ЕКГ графика, записана с устройството Muse

ЕКГ сигналите са доста по-силни от ЕЕГ - те могат да достигнат до 1000 микроволта, докато измерената ЕЕГ активност е максимум при около 100 микроволта.

EMG се отнася до измерване на електрическите сигнали, които идват от активирането на нашите мускулни клетки. Те също могат да бъдат взети от EEG оборудване - така Muse устройството е в състояние да открие, например, стискане на челюстта. Ето как може да изглежда EMG в графика:

Jaw Clench EMG, вдигнат в Т8 (до дясното ухо). Снимка на Александър БарачантАз, прозявайки се, вдигнат от Музата

И накрая, EOG може да запише движенията на очната ми ябълка - по този начин лесно можем да открием мигания с EEG слушалки (можете да научите повече в моя пост на реактивните мозъчни вълни).

устройства

Има няколко потребителски устройства, които ви позволяват да започнете работа с EEG, като OpenBCI, който е хардуер + софтуерен пакет с отворен код EEG. Моето любимо (и единствено) устройство в момента е Muse, 249 $ EEG устройство с четири електрода (и възможност за прикачване на външен). Emotiv е друг доставчик, който произвежда устройство с 5 или 14 канала, така че те са малко по-скъп вариант (не можете да получите достъп до суровия сигнал, освен ако не плащате за много скъпата им SDK), те могат да бъдат по-полезни за изследване ,

Как ЕЕГ може да подобри живота ни?

EEG може да направи реална разлика за хора с ограничена подвижност, като им предостави нов интерфейс за комуникация и взаимодействие с външния свят (като примерите, използващи P300 ERP по-горе).

С мен се свързаха някои изследователи от университета Бен-Гурион в Израел, които се опитват да създадат разширение за браузър, което ще даде възможност за сърфиране в мрежата с EEG слушалки. Това би било от голяма полза за хората, които не могат да използват клавиатура. Те експериментират както с помощта на Eye Movements, така и с P300 (споменат по-горе) за тази цел. Друг интересен проект, който се обърна към мен само миналата седмица, за да помогна с програмирането, е изследване на начините за използване на ЕЕГ, за да се помогне на хората с ALS. Трябва да се отбележи обаче, че понастоящем „честотната ширина“ на EEG е доста бавна, така че директният контрол чрез EEG (например с помощта на мишка или клавиатура) може да не е реалистичен в момента.

И накрая, мой добър приятел наскоро беше с диагноза на бебето с хипсаритмия, състояние, свързано с хаотична и нередовна електрическа активност в мозъка. В този случай бебето му е имало късмет да бъде диагностицирано рано, но в други, по-малко очевидни случаи, това състояние може да остане незабелязано и може да повлияе негативно на развитието на мозъка, ако не се лекува навреме. Той се надява, че устройства на достъпни цени като Muse ще направят диагностицирането на това състояние много по-достъпно и в момента разглежда как това може да е възможно.

Тъй като EEG става по-евтино, ще бъде интересно да видите какви други потребителски приложения за технологията ще изскочат (или тези хакери като вас и аз ще разработваме!). Друго интересно нещо за проекти като зрелищните зрелища на Муза е, че сега сравнително лесно можем да изследваме „психичното състояние“ на човека, който го носи, давайки ни представа за способността ни да се фокусираме и умственото натоварване (достатъчно интересно е, че в хартията е свързана по-горе, те отбелязват, че там „опитни практикуващи медитации имат много забележим профил (ЕЕГ)“.

Може дори да ни помогне да се подобрим в луцидното сънуване ... но ще трябва да почакаме и да видим за това!

Предложения за по-нататъшно четене

Предлагам да прочетете това невероятно парче за NeuraLink. Неслучайно тя е публикувана около месец, преди да започна да навлизам в невронауката - след като я прочетох, се вдъхнових да започна да изследвам тази област.

Освен това, ако имате устройство Muse, определено проверете EEG 101, приложение с Android с отворен код, което преподава основите на EEG.

Най-важното е да се присъедините към NeuroTechX Slack Community! Както споменахме по-горе, по този начин научих повечето от това, което знам за ЕЕГ днес, и беше в основата на много от това, което току-що прочетохте по-горе.