Wprowadzenie Techy do neuronauki

Kilka faktów, które chciałbym wiedzieć, kiedy zacząłem hakować EEG

Wiem, że już to mówiłem, ale warto powiedzieć jeszcze raz: żyjemy w niesamowitych czasach. Możemy teraz przeprowadzać eksperymenty neuronauki w zaciszu własnego domu, używając sprzętu, który do niedawna był bardzo drogi i dostępny tylko w laboratoriach badawczych / uniwersytetach. Teraz, gdy sprzęt stał się łatwiej dostępny, coraz więcej osób bada, co mogą zrobić z technologią, i na szczęście dla nas istnieje ogólnoświatowa społeczność naukowców dostępna online.

W ciągu ostatnich kilku miesięcy znalazłem się w niesamowitym świecie neuronauki i wiele się nauczyłem - chociaż w tym procesie czasami zdezorientowałem się wszystkimi technicznymi i specyficznymi dla danej dziedziny terminami, kiedy próbowałem czytać artykuły lub sprawdź przykłady.

W tym poście postaram się podsumować wszystkie moje wnioski z ubiegłego roku. Chociaż przedstawię te rzeczy z mojego punktu widzenia jako programista, jestem pewien, że to wprowadzenie będzie pomocne dla każdego, kto jest zainteresowany tym tematem.

Chcę szczególnie podziękować Alexandreowi Barachantowi i Hubertowi Banville ze społeczności NeuroTechX. Spędzili wiele godzin, pomagając mi znaleźć drogę jako początkujący w świecie neuronauki, i wiele z przedstawionych tu informacji zostało mi przez nich po raz pierwszy zaprezentowanych.

BCI? EEG?

Jeśli chodzi o neuronaukę z komputera, dwa pierwsze terminy, które spotkałem, to „BCI” i „EEG”. BCI oznacza Brain Computer Interface (lub BMI dla Brain Machine Interface). BCI to w zasadzie każda metoda, która bezpośrednio przenosi informacje między mózgiem a jakimś urządzeniem zewnętrznym, zwykle instrumentem naukowym lub, dla naszych celów, komputerem.

Metoda BCI składa się z trzech części:

  • Urządzenie do wykrywania mózgu (EEG, fNIRS, ECoG, fMRI itp.)
  • Algorytm dekodujący, który tłumaczy aktywność mózgu mierzoną czujnikiem na polecenie
  • I maszyna (lub komputer), która wykonuje polecenie

EEG jest prawdopodobnie najczęstszą metodą wykrywania mózgu w BCI. EEG oznacza elektroencefalografię. Szczerze mówiąc, nigdy nie pamiętam tego słowa - ważne jest, aby pamiętać, że EEG rejestruje aktywność elektryczną wokół skóry głowy za pomocą elektrod w celu pomiaru aktywności mózgu. Jest to bardzo gruby, niedokładny sposób pomiaru aktywności mózgu - ponieważ fale elektromagnetyczne są tłumione przez czaszkę. Jednak nadal są bardzo interesujące rzeczy, które możemy zrobić z EEG, a fakt, że jest nieinwazyjny - w przeciwieństwie do MRI, nie wymaga określonego środowiska do dokonywania odczytów - oznacza, że ​​jest doskonałym kandydatem na majsterkowanie w domu.

Istnieje kilka innych technik wykrywania biologicznego, które wykorzystują podobną metodę pomiaru ciała - EKG do pomiaru aktywności serca (patrz poniżej), EMG do pomiaru aktywności mięśni i EOG do pomiaru ruchów gałek ocznych (o tym porozmawiamy później). Wszystkie powyższe prace polegają na pomiarze różnicy napięcia elektrycznego między dwoma lub więcej punktami w ciele.

Oprócz EEG istnieje wiele innych BCI, takich jak fMRI, ale ponieważ nie jesteś w stanie wykonać fMRI i wielu innych BCI w domu (jeszcze!), Skupimy się na EEG.

Po pierwsze: kilka rzeczy, które warto wiedzieć o EEG

Kiedy po raz pierwszy dowiedziałem się o EEG, odkryłem, że miałem kilka pomysłów na temat EEG, które nie pasowały do ​​rzeczywistości ... więc zanim przejdziemy do szczegółów, chciałbym poświęcić chwilę na wyjaśnienie kilku rzeczy.

Nie można tak naprawdę „odczytać mózgu” na wykresie EEG. Kiedy początkowo zaczynałem od EEG, spodziewałem się, że mogę nauczyć się „czytać w myślach” za pomocą grafów EEG i rozwinąć pewną umiejętność mówienia, co oznacza każdy skok w jego kontekście. Później odkryłem, że to, co widać na wykresie, to przede wszystkim hałas i rzeczy, które same w sobie nie są „EEG”, takie jak mruganie oczami, zaciskanie szczęki.

Dzięki EEG będziesz w stanie zobaczyć tylko bardzo silną aktywność mózgu, taką jak napad padaczkowy (którego, mam nadzieję, nigdy nie musisz widzieć). Ogólna zasada brzmi: „Jeśli widzisz to bez pomocy oczu, prawdopodobnie nie jest to EEG”.

Co więcej, musisz przetworzyć te dane, aw niektórych przypadkach uruchomić kilka iteracji eksperymentu, aż rzeczywiście uzyskasz sygnał, którego szukasz. Pamiętaj więc: dobry wykres EEG jest czysty.

Nie umiesz czytać w myślach. Za pomocą EEG nie można uzyskać bardzo szczegółowych informacji, takich jak to, co pacjent widzi lub słyszy. Jedyną informację, którą otrzymujesz, w sumie aktywności wielu neuronów w twoim mózgu - zawsze będziesz w stanie zidentyfikować coś, jeśli jest to naprawdę drastyczne i wymaga dużej liczby neuronów wystrzeliwujących w synchronizacji.

Popularną analogią jest stojący przed dużym stadionem sportowym - nie będziesz w stanie usłyszeć konkretnych rozmów między ludźmi na stadionie, ale będziesz w stanie odróżnić pusty stadion od bardzo pełnego stadionu, a także będziesz mógł aby wykryć, kiedy padnie gol - gdy usłyszysz nagłe głośne oklaski i wiwaty dochodzące zsynchronizowanej publiczności.

EEG nie działa dla wszystkich. Niektórzy ludzie mają coś, co nazywają „analfabetyzmem BCI”, tj. nie możemy odebrać żadnego sygnału dla określonych wzorców mózgu u niektórych pacjentów. Jest to w rzeczywistości dość powszechne - około 20% populacji ma jakiś analfabetyzm BCI, a prowadzone są badania nad obejściem tego problemu.

EEG jest TYLKO DO CZYTANIA. Często jestem pytany, czy zestaw słuchawkowy EEG może być używany do wstrzykiwania myśli lub modyfikowania zachowania ludzi poprzez wpływanie na ich mózgi. Krótka odpowiedź brzmi nie: nie można kontrolować ludzkich umysłów za pomocą EEG.

Choć warto, myślę, że byłbym życzliwym kontrolerem umysłu…

Możesz jednak dostarczyć funkcję neurofeedbacku, której można użyć do zmiany zachowania (za pomocą pętli sprzężenia zwrotnego: mózg → EEG → działanie fizyczne / wiadomość → mózg). Neurofeedback jest często stosowany w celu nauczenia pacjenta, jak osiągnąć lepszą kontrolę nad mózgiem, a czasami jest stosowany w leczeniu schorzeń takich jak ADHD i migreny, chociaż rola EEG w takich terapiach jest wątpliwa.

Witaj świecie

W programowaniu „Hello World” jest pierwszym programem dla początkujących, który pisze w języku - program, który drukuje „Hello World”. W elektronice zwykle odbywa się to poprzez mruganie diody LED.

Dzięki EEG mój Hello World wykrywał mrugnięcia oczami. Potem stworzyłem małe demo, w którym możesz zagrać w grę Chrome Offline T-Rex tylko na własne oczy. Tworząc oba te dema, wymagając głębszego zrozumienia, czym był EEG i jak działał, próbowałem podsumować to, czego się nauczyłem w poniższych sekcjach.

Jak zawsze, jeśli masz jakieś pytania lub przemyślenia, daj mi znać w komentarzach poniżej :-)

Różnica napięcia / potencjału

Jedną z rzeczy, na które należy zwrócić uwagę, zanim zaczniemy, jest to, że „napięcie” i „różnica potencjałów” są często używane zamiennie podczas omawiania EEG i neuronauki. Wynika to z faktu, że napięcie definiuje się jako różnicę potencjałów między dwoma punktami: ponieważ napięcie jest mierzone względnie, zawsze należy określić dwa punkty, gdy mówimy o napięciu.

System 10–20

Jedną z rzeczy, które początkowo mnie zastraszyły, były wszystkie aluzje do takich rzeczy, jak „7PR” i „TP10”. Potem dowiedziałem się, że są to tylko pozycje, część systemu 10–20, której naukowcy używają do notowania, gdzie na skórze głowy umieszczają elektrody podczas testów / badań z EEG.

Kiedy używasz dostępnych w handlu produktów do przeprowadzania własnych eksperymentów EEG, przez większość czasu będą one już określać, z którymi elektrodami musisz pracować, więc nie powinieneś zbytnio martwić się o system 10–20 . Na przykład wersja urządzenia Muse w 2016 r. Jest ukierunkowana na elektrody AF7, AF8 TP9 i TP10.

10–20 Znaczniki systemowe, przy czym te używane przez zestaw słuchawkowy Muse są wyświetlane na niebiesko.

Schemat pokazany powyżej to widok z góry głowy, „nasiona” to nos, następnie boki (A1 / A2) to uszy, a INION to tył głowy, a bardziej technicznie „wystająca część kość potyliczna u podstawy czaszki. ”

Czytanie wykresu EEG

Jeśli kiedykolwiek widziałeś wykres EEG, na pierwszy rzut oka może być mylący - dzieje się wiele. Spróbujmy to zrozumieć razem - każdy element na wykresie reprezentuje sygnał odbierany przez inną elektrodę. Oś pozioma (oś X) to czas, a pionowa (oś Y) to napięcie zarejestrowane w tym punkcie czasu między odpowiednią elektrodą a elektrodą odniesienia (pamiętaj? Napięcie to różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami) .

Poniżej znajduje się wykres EEG z adnotacjami, zarejestrowany przez Alexandre Barachant przy użyciu nowego urządzenia słuchawkowego EEG, które obecnie opracowuje. Wykres rejestrowano w czasie 10 sekund, przy użyciu 8 elektrod umieszczonych na FP1, FP2, P3, Pz, P4, POz, O1, O2 (patrz wyżej w odniesieniu do systemu 10–20).

Dodałem kilka znaczników do wykresu, pokazujących takie cechy, jak Fale Alfa (zielony znacznik), 4 mrugnięcia oczami (purpurowy znacznik) i jeden Zacisk Szczęki (znacznik cyjan). Niedługo omówimy te rzeczy.

Fale mózgowe: Alfa, Beta, Delta, Theta

Fale mózgowe to oscylacje neuronowe, lub prościej, aktywność neuronowa zachodząca w określonym rytmie. Podobnie jak inne rodzaje fali, mierzymy ten rytm pod względem częstotliwości za pomocą jednostki pomiaru Hertza. Na przykład, jeśli masz aktywność neuronową z napięciem rosnącym, a następnie zmniejszającym 7 razy na sekundę, byłaby to fala mózgowa o częstotliwości 7 Hz.

Typowe rytmy mózgu otrzymują skrócone nazwy do odniesienia w badaniach, takie jak fale mózgowe Alfa, Beta i Theta. Na przykład fale beta są w zakresie 12,5–30 Hz. Widzisz je normalnie, gdy obiekt nie śpi. Z drugiej strony fale gamma są używane w odniesieniu do szybszego rytmu, zwykle powyżej 40 Hz, a niektórzy badacze uważają, że są związane z skupieniem, uwagą i medytacją. Uważam, że jest to naukowy pomysł zestawu słuchawkowego Muse EEG, który powinien być używany między innymi do medytacji.

Co zaskakujące, fale delta mają znacznie wolniejszą częstotliwość (między 0,5 a 2 Hz) i są również znacznie silniejsze: sygnał idzie znacznie wyżej niż inne rodzaje fal. Są one związane z etapami głębokiego snu, więc jest to prosty sposób zmierzenia, czy pacjent doświadcza głębokiego snu. Badania pokazują, że zakłócanie snu na etapie fal delta powodowało zmęczenie i ból mięśni.

Wreszcie, inny rodzaj fal, zwany falami alfa, wydaje się pojawiać w częściach mózgu, które są obecnie bezczynne. Ich częstotliwość wynosi około 7,5 Hz - 12,5 Hz, a najłatwiejszym sposobem ich zaobserwowania jest umieszczenie elektrody EEG z tyłu głowy, obok kora wzrokowego, a następnie zamknięcie oczu. Bezczynne neurony w korze wzrokowej zaczną odpalać te fale alfa synchronicznie i powinieneś być w stanie rozpoznać wzór na wykresie. Jest to również dobry sposób na szybkie przetestowanie konfiguracji EEG: jeśli nie widzisz fal alfa podczas zamykania oczu, oznacza to, że coś jest zdecydowanie nie tak (mam na myśli - powinieneś je zobaczyć po ponownym otwarciu, oczywiście…).

Oto zrzut ekranu z mojej aplikacji z muzyką kątową, pokazujący fale alfa. Punkt zaznaczony czerwonym znacznikiem jest wtedy, gdy otworzyłem oczy, i widać zarówno potencjalną różnicę spowodowaną ruchem gałki ocznej (EOG - patrz poniżej), a następnie zmianę wzoru. Zmierzono to w TP9 - blisko moich uszu, nie jest to optymalne miejsce do poszukiwania fal Visual Cortex Alpha, ale są one wystarczająco mocne, aby można je było tam nadal zobaczyć:

Oto fale alfa! Czerwona strzałka wskazuje moment, w którym otworzyłam oczy

ERP - potencjał związany ze zdarzeniem

Potencjał związany ze zdarzeniem (ERP) to po prostu skok, który można zmierzyć za pomocą sprzętu EEG, który dzieje się w odpowiedzi na bodziec. Na przykład, ilekroć zobaczysz twarz, skok ujemnego napięcia pojawiający się na wykresie EEG w przybliżeniu 170 milisekund (działa nawet w przypadku części twarzy, takich jak oczy).

Przejrzyjmy kilka przykładów, aby wyjaśnić:

P300

P300 jest dodatnim skokiem, który pojawia się około 300 milisekund po bodźcu, który budzi Twoje zainteresowanie. Na przykład, jeśli czekasz na przyjaciela, który cię odbierze, a przejeżdża wiele samochodów, prawdopodobnie zauważysz skok napięcia dodatniego za każdym razem, gdy zobaczysz samochód podobny do samochodu twojego przyjaciela. P300 najlepiej zbierać z tyłu głowy - wokół POz lub Pz (patrz system 10–20 powyżej).

Na przykład, spójrzmy na grę najeźdźców mózgu opracowaną przez Alexandre Barachant podczas jego pierwszego post-doc, który pokazuje P300 w akcji. Jest to standardowa gra najeźdźców z niespodzianką - na każdym poziomie musisz zniszczyć jednego określonego najeźdźcę, który jest oznaczony czerwonym kółkiem na początku poziomu. Powinieneś to zrobić, skupiając się na tym najeźdźcy i licząc, ile razy zostanie on podświetlony. Sama gra wyróżnia inny podzbiór najeźdźców na kilka iteracji i za każdym razem po podświetleniu podzbioru szuka sygnału pozytywnego 300 milisekund po wyróżnieniu (to jest P300!).

Następnie szuka najeźdźcy, który pojawił się we wszystkich różnych podgrupach z sygnałem P300, i ten najeźdźca został zniszczony. Zakładając, że nadal skupiałeś się na docelowym najeźdźcy, tylko podzbiory, które go podświetlą, wykazywałyby P300, a następnie zostałyby zniszczone i wygrałeś poziom. Tak to wygląda w akcji:

Możesz przeczytać więcej o grze tutaj lub zajrzeć do kodu źródłowego.

Innym interesującym przypadkiem użycia jest pisownia na bazie P-300, w której użytkownik może przeliterować słowa, koncentrując się na literach, które chce pisać pojedynczo, a następnie litery są podświetlane w podobny sposób jak gra najeźdźców:

Facet na filmie używa zestawu słuchawkowego EEG o nazwie Emotiv. Oto kolejne demo P300, na którym można również zobaczyć, w jaki sposób system został przeszkolony. Jest zbudowany na bazie suchego systemu EEG Cognionics.

Chociaż szybkość jednego słowa na minutę (lub mniej) może nie wydawać się imponująca, istnieją ludzie, dla których może to być ich jedyny sposób komunikowania się (np. Zespół zablokowany, gdzie wstępne badania pokazują obiecujące wyniki zastosowania tej technologii w diagnoza). Korzystanie z przewidywania „inteligentnego następnego słowa” może również pomóc go przyspieszyć, umożliwiając znacznie bardziej wydajną komunikację. Być może dlatego Facebook również zmierza w tym kierunku.

N170, N100 i inne interesujące ERP

N170 jest ujemnym skokiem, który pojawia się około 170 milisekund po zobaczeniu twarzy lub części twarzy, takich jak oczy.

N100 to inny rodzaj ERP, i jak można się domyślić po nazwie, pojawia się około 100 milisekund po niespodziewanych bodźcach, gdy jesteś bezczynny, takich jak głośny hałas, nagły ból itp. Jednym z przykładów zastosowania klinicznego jest słuch testy systemowe, w przypadkach, gdy pacjenci nie mogą wyrazić opinii, na przykład w śpiączce.

SSVEP

SSVEP oznacza wizualnie wywołane potencjały stanu ustalonego. Pomimo skomplikowanej nazwy, w zasadzie oznacza to, że jeśli pokażę ci źródło światła strobujące z określoną częstotliwością (3,5 do 75 razy na sekundę, według Wikipedii) przez jakiś czas, twój mózg odbierze tę częstotliwość i będziesz w stanie widzieć to w falach mózgowych.

Długość bodźców potrzebnych do wyświetlenia częstotliwości na wykresie EEG zależy od częstotliwości, ale 1 sekunda powinna wystarczyć dla dowolnej częstotliwości większej niż 10 Hz.

Bodźce SSVEP 20 Hz. Skup się na nim, a fale mózgowe zaczną tańczyć w rytm

Podobnie jak SSVEP, istnieje również SSAEP dla audio i SSSEP dla bodźca sensorycznego.

EKG, EMG, EOG za pośrednictwem EEG

Te trzy terminy odnoszą się do pomiaru aktywności serca, operacji mięśni i ruchów gałek ocznych poprzez rejestrowanie aktywności elektrycznej, podobnie jak w przypadku EEG. W rzeczywistości urządzenie EEG może łatwo wybrać wszystkie powyższe!

Na przykład za pomocą urządzenia Muse, jeśli dotknę elektrod przednich prawą ręką, a elektrod usznych lewą ręką, zobaczę bardzo wyraźny wykres EKG, pokazujący aktywność elektryczną mojego serca:

Sprawdź moje bicie serca na tym wykresie EKG zarejestrowanym za pomocą urządzenia Muse

Sygnały EKG są znacznie silniejsze niż EEG - mogą osiągnąć nawet 1000 mikrowoltów, podczas gdy zmierzona aktywność EEG wynosi maksimum przy około 100 mikrowoltów.

EMG odnosi się do pomiaru sygnałów elektrycznych pochodzących z aktywacji naszych komórek mięśniowych. Można je również odebrać za pomocą sprzętu EEG - w ten sposób urządzenie Muse wykrywa na przykład zaciskanie szczęki. Oto jak EMG może wyglądać na wykresie:

Szczęka Clench EMG, podniesiona w T8 (obok prawego ucha). Zdjęcie Alexandre BarachantJa, ziewanie, odebrane przez Muse

Wreszcie EOG może rejestrować ruchy gałek ocznych - w ten sposób możemy łatwo wykryć mrugnięcia za pomocą zestawów słuchawkowych EEG (więcej informacji na ten temat można znaleźć w moim wpisie Reactive Brain Waves).

Urządzenia

Istnieje kilka urządzeń konsumenckich, które pozwalają rozpocząć korzystanie z EEG, takich jak OpenBCI, który jest pakietem sprzętu i oprogramowania EEG typu open source. W tej chwili moim ulubionym (i jedynym) urządzeniem jest Muse, urządzenie EEG o wartości 249 $ z czterema elektrodami (i możliwością podłączenia zewnętrznego). Emotiv to kolejny producent, który produkuje urządzenie z 5 lub 14 kanałami, więc chociaż są one nieco droższą opcją (nie możesz uzyskać dostępu do surowego sygnału, chyba że zapłacisz za ich bardzo drogi SDK), mogą być bardziej przydatne do badań .

Jak EEG może poprawić nasze życie?

EEG może znacząco wpłynąć na osoby o ograniczonej sprawności ruchowej, zapewniając im nowy interfejs do komunikowania się i interakcji ze światem zewnętrznym (takie jak przykłady wykorzystujące P300 ERP powyżej).

Skontaktowali się ze mną niektórzy badacze z Uniwersytetu Ben-Guriona w Izraelu, którzy próbują zbudować rozszerzenie przeglądarki, które umożliwi przeglądanie Internetu za pomocą zestawu słuchawkowego EEG. Byłoby to wielką korzyścią dla osób, które nie są w stanie korzystać z klawiatury. Eksperymentują zarówno z użyciem ruchów oka, jak i P300 (wspomnianych powyżej) w tym celu. Innym interesującym projektem, który zwrócił się do mnie w zeszłym tygodniu, by pomóc w programowaniu, jest zbadanie sposobów wykorzystania EEG do pomocy osobom z ALS. Należy jednak zauważyć, że „przepustowość” EEG jest obecnie dość wolna, więc bezpośrednia kontrola za pomocą EEG (na przykład za pomocą myszy lub klawiatury) może w tej chwili nie być realistyczna.

W końcu mój dobry przyjaciel niedawno zdiagnozował u dziecka Hypsarrhythmia, stan związany z chaotyczną i nieregularną aktywnością elektryczną w mózgu. W tym przypadku jego dziecko miało szczęście zdiagnozować wcześnie, ale w innych, mniej oczywistych przypadkach, stan ten może pozostać niezauważony i może negatywnie wpłynąć na rozwój mózgu, jeśli nie zostanie leczony na czas. Ma nadzieję, że niedrogie urządzenia, takie jak Muse, znacznie ułatwią diagnozowanie tego stanu i obecnie zastanawia się, jak to możliwe.

Gdy EEG stanie się tańszy, ciekawe będzie, jakie wyskakują inne aplikacje konsumenckie dla tej technologii (lub że hakerzy tacy jak ty i ja opracujemy!). Inną interesującą rzeczą w projektach takich jak okulary wykrywające Muse jest to, że możemy teraz stosunkowo łatwo zbadać „stan psychiczny” osoby noszącej go, dając nam wyobrażenie o naszej zdolności do skupienia się i obciążeniu umysłowym (co ciekawe, w powiązanym dokumencie powyżej zaobserwowali tam, że „doświadczeni praktykujący medytację mają bardzo zauważalny profil (EEG)”).

Może nawet pomóc nam lepiej śnić świadome sny… ale musimy poczekać i przekonać się o tym!

Sugestie do dalszego czytania

Proponuję przeczytać ten niesamowity artykuł o NeuraLink. To nie przypadek, że został opublikowany na około miesiąc zanim zacząłem zajmować się neuronauką - po przeczytaniu zainspirowałem go do rozpoczęcia eksploracji tej dziedziny.

Ponadto, jeśli masz urządzenie Muse, zdecydowanie sprawdź EEG 101, otwartą aplikację na Androida, która uczy podstaw EEG.

Co najważniejsze, dołącz do społeczności Slack NeuroTechX! Jak wspomniano powyżej, w ten sposób dowiedziałem się większości tego, co wiem o EEG dzisiaj, i był podstawą wielu z tego, co właśnie przeczytałeś powyżej.