Введение Techy в Нейронауку

Некоторые факты, которые я хотел бы знать, когда я начал взламывать ЭЭГ

Я знаю, что говорил это раньше, но стоит повторить: мы живем в удивительные времена. Теперь мы можем проводить нейробиологические эксперименты, не выходя из собственного дома, используя оборудование, которое до недавнего времени было очень дорогим и доступным только в исследовательских лабораториях / университетах. Теперь, когда оборудование стало более доступным, все больше людей изучают, что они могут сделать с технологией, и, к счастью для нас, существует всемирное сообщество исследователей, которое доступно в Интернете.

За последние несколько месяцев я попал в удивительный мир нейробиологии и многому научился - хотя в этом процессе меня иногда смущали все технические и предметные термины, когда я пытался читать статьи или проверить примеры.

В этом посте я постараюсь обобщить все мои знания за прошедший год. Хотя я представлю эти вещи с моей точки зрения как веб-разработчика, я почти уверен, что это введение будет полезно всем, кто заинтересован в изучении этой темы.

Я хочу выразить особую благодарность Александру Баранчу и Хьюберту Бэнвиллу из сообщества NeuroTechX. Они провели много часов, помогая мне найти свой путь новичка в мире нейробиологии, и большая часть информации, представленной здесь, была впервые представлена ​​мне ими.

BCI? ЭЭГ?

Исходя из неврологии из компьютерного прошлого, два первых термина, с которыми я столкнулся, были «BCI» и «ЭЭГ». BCI обозначает мозговой компьютерный интерфейс (или BMI для мозгового машинного интерфейса). BCI - это, по сути, любой метод, который напрямую передает информацию между мозгом и каким-либо внешним устройством, обычно научным инструментом или, для наших целей, компьютером.

Метод BCI состоит из трех частей:

  • Устройство восприятия мозга (ЭЭГ, ФНИРС, ЭКог, ФМРТ и т. Д.)
  • Алгоритм декодирования, который переводит активность мозга, измеренную датчиком, в команду
  • И машина (или компьютер), который выполняет команду

ЭЭГ является, пожалуй, наиболее распространенным способом восприятия мозга в BCI. ЭЭГ расшифровывается как электроэнцефалография. Если честно, я никогда не помню этого слова - важно помнить, что ЭЭГ регистрирует электрическую активность вокруг кожи головы с помощью электродов для измерения мозговой активности. Это очень грубый, неточный способ измерения активности мозга - поскольку череп ослабляет электромагнитные волны. Тем не менее, есть еще очень интересные вещи, которые мы можем сделать с ЭЭГ, и тот факт, что она неинвазивна - в отличие от МРТ, не требует особой среды, в которой можно снимать показания - означает, что это отличный кандидат для работы дома.

Есть несколько других биосенсорных техник, которые используют аналогичный метод для измерения вашего тела - ЭКГ для измерения сердечной деятельности (см. Ниже), ЭМГ для измерения мышечной активности и ЭОГ для измерения движений глаз (мы поговорим об этом позже). Все вышеперечисленное работает путем измерения разности электрических напряжений между двумя или более точками в вашем теле.

В дополнение к ЭЭГ, есть ряд других ИМК, например, fMRI, но, поскольку вы не можете выполнять fMRI и многие другие ИМК дома (пока!), Мы сосредоточимся на ЭЭГ.

Прежде всего: кое-что знать об ЭЭГ

Когда я впервые узнал об ЭЭГ, я обнаружил, что у меня было несколько идей об ЭЭГ, которые не совпадали с реальностью ... поэтому, прежде чем мы углубимся в детали, я бы хотел немного разобраться в этом.

Вы не можете «прочитать мозг» на графике ЭЭГ. Когда я изначально начинал с ЭЭГ, я ожидал, что смогу научиться «читать мысли» с помощью графиков ЭЭГ и развить некоторую способность говорить, что означает каждый спайк в его контексте. Позже я обнаружил, что то, что вы можете видеть на графике, это прежде всего шум и вещи, которые сами по себе не являются «ЭЭГ», такие как моргание глаз, сжимание челюсти.

С помощью ЭЭГ вы сможете увидеть только очень сильную активность мозга, такую ​​как эпилептический припадок (который, я надеюсь, вам никогда не понадобится). Общее эмпирическое правило гласит: «Если вы можете видеть это без посторонних глаз, это, вероятно, не ЭЭГ».

Для чего-то большего, чем это, вам нужно будет обработать эти данные, а в некоторых случаях запустить несколько итераций эксперимента, пока вы действительно не получите сигнал, который вы ищете. Итак, помните: хороший график ЭЭГ является чистым.

Вы не можете читать мысли. Вы не можете получить очень конкретную информацию с помощью ЭЭГ, например, что пациент видит или слышит. Единственная информация, которую вы получаете в сумме активности многих нейронов в вашем мозге, - вы сможете когда-либо определить что-то, только если это действительно радикально и вовлекает много нейронов, работающих синхронно.

Обычная аналогия - за пределами большого спортивного стадиона - вы не сможете слышать конкретные разговоры между людьми внутри стадиона, но вы сможете различить пустой стадион и очень заполненный стадион, и вы также сможете определить, когда был забит гол, - как вы услышите внезапные громкие аплодисменты и приветствия, идущие синхронно от зрителей.

ЭЭГ не работает для всех. У некоторых людей есть то, что они называют «неграмотностью BCI», т.е. мы не можем подобрать какой-либо сигнал для определенных моделей мозга по некоторым предметам. Это, на самом деле, довольно часто - около 20% населения имеют какую-то неграмотность BCI, и есть исследования, как обойти это.

ЭЭГ только для чтения. Меня часто спрашивают, можно ли использовать ЭЭГ-гарнитуру, чтобы вводить мысли или изменять поведение людей, воздействуя на их мозг. Короткий ответ - нет: вы не можете контролировать сознание людей с помощью ЭЭГ.

Хотя за то, что это стоит, я думаю, что я был бы доброжелательным контролером разума ...

Что вы можете сделать, так это предоставить Neurofeedback, который можно использовать, чтобы попытаться изменить поведение (используя цикл обратной связи: мозг → ЭЭГ → физическое действие / сообщение → мозг). Neurofeedback часто используется, чтобы попытаться научить пациента, как добиться лучшего контроля над его мозгом, и иногда используется для лечения таких состояний, как СДВГ и мигрень, хотя роль ЭЭГ в таких методах лечения сомнительна.

Привет мир

В программировании «Hello World» - это самая первая программа, написанная новичками на языке - программа, которая печатает «Hello World». В электронике это обычно делается миганием светодиода.

С ЭЭГ мой Hello World обнаруживал моргание глаз. Затем я создал небольшое демо, где вы могли бы играть в Chrome Offline T-Rex просто глазами. Создание обеих этих демонстраций потребовало более глубокого понимания того, что такое ЭЭГ и как оно работает, и я попытался обобщить то, что узнал в следующих разделах.

Как всегда, если у вас есть какие-либо вопросы или мысли, дайте мне знать в комментариях ниже :-)

Напряжение / разность потенциалов

Прежде чем мы начнем, важно отметить, что «напряжение» и «разность потенциалов» часто используются взаимозаменяемо при обсуждении ЭЭГ и нейробиологии. Это связано с тем, что напряжение определяется как разность потенциалов между двумя точками: поскольку напряжение измеряется относительно, вам всегда нужно указывать две точки, когда вы говорите о напряжении.

Система 10–20

Поначалу я обнаружил, что меня пугает то, что все эти намеки на такие вещи, как «FP7» и «TP10». Затем я узнал, что это всего лишь позиции, часть системы 10–20, которую ученые используют, чтобы указать, где на коже головы они помещают электроды при проведении испытаний / исследований с помощью ЭЭГ.

Когда вы используете имеющиеся в продаже продукты для своих собственных экспериментов с ЭЭГ, в большинстве случаев они уже определили, с какими электродами вам нужно работать, поэтому вам не придется слишком сильно беспокоиться о системе 10–20. , Например, версия 2016 года устройства Muse предназначена для электродов AF7, AF8 TP9 и TP10.

10–20 Системные маркеры, те, которые используются гарнитурой Muse, выделены синим цветом.

Диаграмма, показанная выше, представляет собой вид сверху головы, «нос» - это нос, затем боковые стороны (А1 / А2) - это уши, а ИНИОН - это задняя часть головы, или, более технически, «выступающая часть затылочная кость у основания черепа ».

Чтение графика ЭЭГ

Если вы когда-либо видели график ЭЭГ, на первый взгляд это может сбивать с толку - многое происходит. Давайте попробуем разобраться в этом вместе - каждый элемент на графике представляет сигнал, взятый другим электродом. Горизонтальная ось (ось X) - это время, а вертикальная (ось Y) - это напряжение, записанное в этот момент времени между соответствующим электродом и электродом сравнения (помните? Напряжение - это разность электрических потенциалов между двумя точками) ,

Ниже вы можете увидеть аннотированный график ЭЭГ, записанный Александром Барачаном с использованием нового устройства для гарнитуры ЭЭГ, которое он в настоящее время разрабатывает. График был записан в течение 10 секунд с использованием 8 электродов, расположенных на FP1, FP2, P3, Pz, P4, POz, O1, O2 (см. Выше в отношении системы 10–20).

Я добавил несколько маркеров на график, показывая такие функции, как альфа-волны (зеленый маркер), 4 мигания глаз (фиолетовый маркер) и один Jaw Clench (голубой маркер). Мы собираемся обсудить эти вещи в ближайшее время.

Мозговые волны: Альфа, Бета, Дельта, Тета

Мозговые волны - это нейронные колебания или, проще говоря, нейронная активность, которая происходит с определенным ритмом. Как и другие виды волн, мы измеряем этот ритм с точки зрения частоты, используя единицу измерения Герца. Так, например, если у вас есть нейронная активность с ростом напряжения, а затем снижением 7 раз в секунду, это будет мозговая волна 7 Гц.

Обычные мозговые ритмы получают сокращенные названия для ссылок в исследованиях, такие как альфа, бета и тета мозговые волны. Например, бета-волны - это волны в диапазоне 12,5–30 Гц. Вы видите это нормально, пока субъект не спит. Гамма-волны, с другой стороны, используются для обозначения более быстрого ритма, обычно выше 40 Гц, и некоторые исследователи считают, что они связаны с фокусом, вниманием и медитацией. Я полагаю, что это научная идея гарнитуры Muse EEG, которая должна использоваться для медитации (среди прочего).

Удивительно, что дельта-волны имеют гораздо более медленную частоту (от 0,5 до 2 Гц), и они также намного сильнее: сигнал идет намного выше, чем другие типы волн. Они связаны со стадиями глубокого сна, поэтому это простой способ измерить, испытывает ли субъект глубокий сон. Исследования показывают, что нарушение сна на стадии дельта-волн вызывает усталость и мышечные боли.

Наконец, в тех частях мозга, которые в настоящее время бездействуют, появляются волны другого типа, называемые альфа-волнами. Их частота составляет около 7,5 Гц - 12,5 Гц, и самый простой способ наблюдать их - это поместить электрод ЭЭГ в затылок, рядом с зрительной корой, а затем закрыть глаза. Свободные нейроны в зрительной коре начнут синхронно запускать эти альфа-волны, и вы сможете распознать паттерн на графике. Это также хороший способ быстро проверить настройки ЭЭГ: если вы не видите альфа-волн, когда закрываете глаза, то что-то определенно не так (ну, я имею в виду - вы должны увидеть их после того, как снова откроете их, конечно…).

Вот скриншот из моего приложения angular-muse, показывающий альфа-волны. Точка, отмеченная красным маркером, - это когда я открыл глаза, и вы можете видеть как разность потенциалов, вызванную движением глазного яблока (EOG - см. Ниже), так и после этого изменение схемы. Он измерялся в TP9 - возле моих ушей, не самое подходящее место для поиска альфа-волн Visual Cortex, но они достаточно сильны, чтобы их можно было увидеть там:

Здесь будут Альфа Волны! Красная стрелка указывает момент, когда я открыл глаза

ERP - Потенциал, связанный с событием

Потенциал, связанный с событием (ERP) - это просто всплеск, который можно измерить с помощью оборудования ЭЭГ, возникающий в ответ на стимул. Например, всякий раз, когда вы видите лицо, всплеск отрицательного напряжения, который появляется приблизительно на 170 миллисекундах на графике ЭЭГ (это работает даже для частей лица, таких как глаза).

Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы сделать это более понятным:

P300

P300 - это положительный всплеск, который появляется примерно через 300 миллисекунд после стимула, который вызывает у вас интерес. Например, если вы ожидаете, что ваш друг подберет вас, и мимо вас проезжает много автомобилей, у вас, вероятно, будет всплеск положительного напряжения всякий раз, когда вы видите автомобиль, похожий на автомобиль вашего друга. P300 лучше всего подбирать в задней части головы - вокруг POz или Pz (см. Систему 10–20 выше).

Например, давайте посмотрим на игру «мозговые захватчики», разработанную Александром Бараканом во время его первого постдока, в которой показан P300 в действии. Это стандартная игра захватчиков с изюминкой - на каждом уровне вы должны уничтожать одного конкретного захватчика, который отмечен красным кружком в начале уровня. Вы должны сделать это, сфокусировавшись на этом захватчике и посчитав, сколько раз он выделен. Сама игра выделяет различные поднаборы захватчиков в течение нескольких итераций, и каждый раз после выделения подмножества она ищет положительный сигнал через 300 миллисекунд после выделения (это P300!).

Затем он ищет захватчика, который появился во всех различных подмножествах с сигналом P300, и этот захватчик уничтожается. Предполагая, что вы продолжали фокусироваться на целевом захватчике, только подмножества, которые выделяют его, будут отображать P300, и тогда он будет уничтожен, и вы выиграете уровень. Вот как это выглядит в действии:

Вы можете прочитать больше об игре здесь или взглянуть на исходный код.

Еще один интересный вариант использования - это орфография на основе P-300, где пользователь может писать слова по буквам, сосредотачиваясь на буквах, которые он хочет набрать по одной за раз, где буквы затем подсвечиваются аналогично игре invaders:

Парень на видео использует ЭЭГ-гарнитуру под названием Emotiv. Вот еще одна демонстрация P300, где вы также можете увидеть, как система была обучена. Он построен вокруг сухой ЭЭГ-системы Cognionics.

Хотя скорость одного слова в минуту (или меньше) может показаться не впечатляющей, есть люди, для которых это может быть их единственным способом общения (например, синдром блокировки), где предварительное исследование показывает многообещающие результаты для использования этой технологии в диагностика). Прогнозирование «умного следующего слова» также может помочь ускорить его, обеспечивая гораздо более эффективную связь. Возможно, именно поэтому Facebook также смотрит в этом направлении.

N170, N100 и другие интересные ERP

N170 - это отрицательный всплеск, который появляется примерно через 170 миллисекунд после того, как вы видите лицо или часть лица, например глаза.

N100 - это другой тип ERP, и, как вы можете догадаться по названию, он появляется примерно через 100 миллисекунд после неожиданных раздражителей во время простоя, таких как громкий шум, внезапная боль и т. Д. Одним из примеров клинического использования является слуховой аппарат. системные тесты, в случаях, когда пациенты не могут дать обратную связь, например, когда они находятся в коме.

SSVEP

SSVEP расшифровывается как визуально вызванные потенциалы устойчивого состояния. Несмотря на сложное название, это в основном означает, что если я покажу вам источник света, работающий на определенной частоте (от 3,5 до 75 раз в секунду, согласно Википедии), ваш мозг подхватит эту частоту, и вы сможете видеть это в мозговых волнах.

Продолжительность стимулов, необходимая для отображения частоты на графике ЭЭГ, зависит от частоты, но для любой частоты, превышающей 10 Гц, должно хватить 1 секунды.

20 Гц SSVEP Стимулы. Сфокусируйтесь на этом, и ваши мозговые волны начнут танцевать в такт

Аналогично SSVEP, есть также SSAEP для аудио и SSSEP для сенсорного стимула.

ЭКГ, ЭМГ, ЭОГ через ЭЭГ

Эти три термина относятся к измерению сердечной деятельности, мышечной деятельности и движений глаз путем регистрации электрической активности, аналогично тому, что мы делаем с ЭЭГ. Фактически, устройство ЭЭГ может легко выбрать все вышеперечисленное!

Например, на устройстве Muse, если я коснусь передних электродов правой рукой, а ушных электродов - левой рукой, я увижу очень четкий график ЭКГ, показывающий электрическую активность моего сердца:

Посмотрите, как бьется мое сердце на этом графике ЭКГ, записанном на устройстве Muse

Сигналы ЭКГ намного сильнее, чем ЭЭГ - они могут достигать 1000 мкВ, в то время как измеренная активность ЭЭГ составляет максимум около 100 мкВ.

ЭМГ относится к измерению электрических сигналов, которые приходят от активации наших мышечных клеток. Они также могут быть обнаружены оборудованием ЭЭГ - так устройство Muse может обнаружить, например, сжимание челюсти. Вот как может выглядеть EMG на графике:

Челюсти сжимают ЭМГ, подобраны в Т8 (рядом с правым ухом). Фото Александра БаранчаЯ, зевая, как подобрал Муза

Наконец, EOG может записывать наши движения глазного яблока - так мы можем легко обнаружить моргания с помощью гарнитуры EEG (вы можете узнать больше в моем посте Reactive Brain Waves).

приборы

Существует несколько потребительских устройств, позволяющих начать работу с EEG, например OpenBCI, представляющий собой пакет аппаратного + программного обеспечения EEG с открытым исходным кодом. Мое любимое (и единственное) устройство на данный момент - это Muse, 249 $ ЭЭГ-устройство с четырьмя электродами (и возможностью подключения внешнего). Emotiv - это другой поставщик, который производит устройства с 5 или 14 каналами, поэтому, хотя они и являются несколько более дорогим вариантом (вы не можете получить доступ к необработанному сигналу, если не заплатите за их очень дорогой SDK), они могут быть более полезными для исследований. ,

Как ЭЭГ может улучшить нашу жизнь?

ЭЭГ может реально помочь людям с ограниченными возможностями передвижения, предоставляя им новый интерфейс для общения и взаимодействия с внешним миром (например, примеры с использованием P300 ERP выше).

Со мной связались некоторые исследователи из Университета Бен-Гуриона в Израиле, которые пытаются создать расширение для браузера, которое позволит просматривать веб-страницы с помощью гарнитуры EEG. Это было бы большим преимуществом для людей, которые не могут использовать клавиатуру. Для этого они экспериментируют с использованием движений глаз и P300 (упомянутых выше). Еще один интересный проект, который подошел ко мне только на прошлой неделе, чтобы помочь с программированием, исследует способы использования ЭЭГ, чтобы помочь людям с БАС. Однако следует отметить, что «полоса пропускания» ЭЭГ в настоящее время довольно медленная, поэтому прямое управление через ЭЭГ (например, с помощью мыши или клавиатуры) может быть нереальным на данный момент.

Наконец, у моего хорошего друга недавно был диагностирован гипсаритмия, состояние, связанное с хаотической и нерегулярной электрической активностью в мозге. В этом случае его ребенку повезло с ранней диагностикой, но в других, менее очевидных случаях это состояние может остаться незамеченным и может негативно повлиять на развитие мозга, если не будет вовремя лечиться. Он надеется, что доступные устройства, такие как Muse, сделают диагностику этого состояния намного более доступной, и в настоящее время он изучает, как это возможно.

Когда ЭЭГ станет дешевле, будет интересно посмотреть, какие другие потребительские приложения для этой технологии появятся (или что разработчики, такие как вы и я, разработаем!). Еще одна интересная особенность таких проектов, как очки-зонды Muse, в том, что теперь мы можем относительно легко исследовать «психическое состояние» человека, носящего его, что дает нам представление о нашей способности сосредоточиться и умственной нагрузке (достаточно интересно, в статье, выше, они наблюдали это состояние там, что «опытные практики медитации имеют очень заметный (ЭЭГ) профиль»).

Это может даже помочь нам лучше осознать сны ... но нам придется подождать и посмотреть на это!

Предложения для дальнейшего чтения

Я предлагаю прочитать эту удивительную статью о NeuraLink. Не случайно он был опубликован примерно за месяц до того, как я начал заниматься нейробиологией - после прочтения я вдохновился начать исследовать эту область.

Кроме того, если у вас есть устройство Muse, обязательно ознакомьтесь с EEG 101, Android-приложением с открытым исходным кодом, которое учит основам EEG.

Самое главное, присоединяйтесь к сообществу NeuroTechX Slack! Как упоминалось выше, именно так я узнал большую часть того, что знаю о ЭЭГ сегодня, и послужил основой для всего того, что вы только что прочитали выше.