Неинвазивные НКИ
По этическим соображениям установка инвазивных имплантатов в мозг человека не даёт широкого простора для исследователей, а экспериментировать над собственным мозгом подобно Филу Кеннеди готовы не многие.
Поэтому на практике большинство исследователей отдаёт предпочтение конструированию неинвазивных нейрокомпьютерных интерфейсов, основанных на анализе данных электроэнцефалографии (ЭЭГ).
По типу используемых проявлений ЭЭГ они делятся на экзогенные и эндогенные.
Экзогенные НКИ основаны на анализе паттернов активности, возникающих в ответ на внешние стимулы, эндогенные – на анализе паттернов, возникающих произвольно в соответствии с намерениями и мысленными образами испытуемых.
Экзогенные НКИ используют естественные реакции мозга на внешние стимулы и поэтому не требуют интенсивной тренировки. К ним относятся НКИ, основанные на анализе компонента P300 , и НКИ, основанные на анализе так называемых устойчивых зрительных вызванных потенциалов.
P300 - это эндогенный компонент связанного с событием потенциала (ERP), который имеет положительное отклонение, и возникает при записи электроэнцефалограммы спустя примерно 300 мс после получения редкого стимула, не важно, зрительного, слухового или соматосенсорного, на фоне частых незначимых стимулов. P300 бессознательно активируется каждый раз, когда мозг испытуемого обнаруживает целевой стимул (редкое событие), имеет длительность около 300 – 400 мс и положительную амплитуду 5 – 15 мкВ. Максимальное значение P300 наблюдается под центральным (Pz) электродом. P300 зависит от сосредоточенности испытуемого, но не от физических параметров стимула.
Наиболее известный НКИ, основанный на использовании P300 – это почти традиционное устройство для печатания символов. В этом НКИ на экран монитора в виде матрицы размерностью 6×6 выводятся буквы и некоторые другие символы и команды. Каждые 125 мс высвечивается один ряд или одна колонка матрицы, выбранные в случайном порядке. Испытуемому даётся инструкция считать, сколько раз высвечивались ряд и колонка, содержащие задуманный символ. Эффект P300 появляется только тогда, когда предъявляемый испытуемому ряд или колонка содержат этот символ.
После предъявления всех 12 рядов и колонок суммировались вызванные реакции на предъявление каждой колонки и каждого ряда. Всего таких сумм получается 36, по числу различных комбинаций рядов и колонок. Наибольшая сумма соответствует комбинации того ряда и той колонки, которые оба содержали задуманный символ.
Несмотря на то, что первый подобный НКИ был предложен ещё в 1988 году, этот тип интерфейса продолжает активно совершенствоваться в направлении повышения его информационной производительности, которая достигает 10 бит в минуту. (Для сравнения, радиотелеграфист средней квалификации работает в диапазоне скоростей 60–100 букв или цифр в минуту.)
В других экзогенных НКИ, основанных на анализе устойчивых зрительных вызванных потенциалов, испытуемому предъявляется экран компьютера, на котором изображено несколько объектов, которые высвечиваются с различными частотами, превышающими 6 Гц. Испытуемый может произвольно фокусировать внимание на одном из объектов. Тот объект, который выбрал испытуемый, может быть идентифицирован по соответствующей ему частоте устойчивых вызванных потенциалов. НКИ такого типа имеют информационную производительность – до 12 бит в минуту.
Эндогенные НКИ основаны на анализе медленных корковых потенциалов (МКП) и сенсомоторных ритмов. Негативный сдвиг МКП ассоциируется с подготовкой к движению и другими функциями коры, требующими увеличения её активности.
Ещё в начале 80-х было замечено, что игра в мяч, наблюдение за игроками и воображение игры вызывают активность одинаковых участков коры мозга. А человек способен произвольно управлять МКП. Эта способность легла в основу НКИ, названного «устройством передачи мысли» и описанному в 1999 году. МКП выделялся с помощью фильтрации и вычитания электроокулограммы и показывался испытуемому на экране монитора в виде временно́й развёртки.
Тренировки занимали от нескольких недель до месяцев. Когда число правильных сдвигов МКП достигало 75%, НКИ соединялся с генератором букв. Выбранная буква могла быть указана с помощью последовательности бинарных выборов. Например, вначале можно было указать первую или вторую половину алфавита, затем половину от этой половины и т. д., пока не будет указана сама буква. При таком алгоритме на каждую букву требуется 5 последовательных команд.
Можно, естественно, усовершенствовать алгоритм, учитывая при таком выборе частоту встречаемости букв в речи, как в алгоритме Шеннона – Фано. Однако в любом случае производительность составляла всего от 2 до 36 слов в час.
Гораздо большую производительность показали НКИ, основанные на анализе сенсомоторных ритмов. В них используется хорошо известные реакции десинхронизации и синхронизации в ответ на воображение движений. Движение, воображение движения или наблюдение за движением некоторого исполнительного о́ргана обычно сопровождается уменьшением мю-ритма в корковых представительствах соответствующего о́ргана. Такое уменьшение называется десинхронизацией, связанной с событием. Увеличение мю-ритма т. е. синхронизация, связанная с событием, наблюдается по окончании движения, во время расслабления.
Поскольку представительства различных органов (например, левой и правой руки) разнесены по коре на довольно большие расстояния, по локализации мю-ритма можно достаточно точно определить, движение какого исполнительного о́ргана воображает испытуемый. Поэтому НКИ, основанные на воображении движений различных органов тела, имеют наибольшую производительность, достигая скорости передачи информации до 35 бит в минуту.
НКИ, основанные на анализе паттернов ЭЭГ, соответствующих воображению различных движений, продолжают совершенствоваться как за счёт улучшения классификаторов НКИ, так и за счёт улучшения методов тренировки испытуемых.
Наиболее распространены НКИ, основанные на регистрации ЭЭГ, т. к. они являются неинвазивными и поэтому их использование не требует специальных медицинских показаний, кроме того, они дёшевы, компактны и транспортабельны.
Однако набирают популярность неинвазивные НКИ на основе наблюдения за гемодинамической активностью участков мозга, которая регистрируется с помощью функциональной магниторезонансной томографии (ФМРТ) или ближней инфракрасной спектроскопии (БИКС). Первая связана с изменением концентраций окисленного и восстановленного гемоглобина в областях мозга, где нейронная активность увеличена. Регистрация сигналов БИКС основана на зависимости поглощения инфракрасного излучения от концентрации окисленного и восстановленного гемоглобина.
В последние годы обсуждается даже фантастическая возможность введения в мозг через кровеносную систему так называемой нейронной пыли (neural dust) – множества микрочастиц, каждая из которых является пьезодатчиком, преобразующим электрическую активность мозга в ультразвуковой сигнал, регистрируемый на поверхности головы. В перспективе освоение этой технологии могло бы на порядки увеличить возможности НКИ.