Techy sissejuhatus neuroteadusesse

Mõned faktid, mida ma sooviksin teada saada, kui hakkasin EEG-i häkkima

Ma tean, et olen seda juba varem öelnud, kuid tasub veel kord öelda: me elame hämmastavaid aegu. Nüüd saame oma kodu mugavuse huvides läbi viia neuroteaduslikke katseid, kasutades seadmeid, mis olid hiljuti väga kallid ja olid saadaval ainult teaduslaborites / ülikoolides. Nüüd, kui seadmed on muutunud hõlpsamini taskukohaseks, uurivad üha enam inimesed, mida selle tehnoloogiaga teha, ja meie õnneks on ülemaailmne teadlaste kogukond, millele on juurdepääs veebis.

Viimase paari kuu jooksul olen sattunud neuroteaduste imelisse maailma ja olen palju õppinud - ehkki selle protsessi ajal sattusid mind segi tehnilised ja domeenipõhised mõisted, kui üritasin lugeda artikleid või vaadake näiteid.

Selles postituses üritan kokku võtta kõik oma möödunud aasta õppetunnid. Esitan neid asju minu kui veebiarendaja vaatenurgast, kuid olen üsna kindel, et see sissejuhatus on abiks kõigile, kes on huvitatud selle teemaga tutvumisest.

Tahan avaldada erilist tänu NeuroTechX kogukonna esindajatele Alexandre Barachantile ja Hubert Banville'ile. Nad veetsid arvukalt tunde, aidates mul neuroteadusmaailmas oma algajana leida, ja suure osa siin esitatud teabest esitasid nad mulle esmakordselt.

BCI? EEG?

Tulles arvutite taustal neuroteaduste juurde, olid kaks esimesi termineid, millega ma kokku puutusin, “BCI” ja “EEG”. BCI tähistab ajuarvuti liidest (või aju-masina liidest). BCI on põhimõtteliselt iga meetod, mis edastab teavet otse aju ja mõne välise seadme, tavaliselt teadusinstrumendi või meie eesmärkidel arvuti vahel.

BCI meetod koosneb kolmest osast:

  • Aju tuvastusseade (EEG, fNIRS, ECoG, fMRI jne)
  • Dekoodimisalgoritm, mis tõlgib anduriga mõõdetud ajutegevuse käsuks
  • Ja masin (või arvuti), mis täidab käsku

EEG on võib-olla BCI piires kõige tavalisem aju sensoorne moodus. EEG tähistab elektroentsefalograafiat. Ausalt öeldes ei mäleta ma seda sõna kunagi - oluline on meeles pidada, et EEG registreerib teie peanaha elektrilise aktiivsuse elektroodide abil, et mõõta aju aktiivsust. See on aju aktiivsuse mõõtmiseks väga jäme, ebatäpne viis - kuna kolju summutab elektromagnetilisi laineid. Siiski on veel palju huvitavaid asju, mida saame EEG-ga teha, ja asjaolu, et see pole mitteinvasiivne - erinevalt MRT-st ei vaja spetsiifilist keskkonda, kus näitu võtta - tähendab, et see on suurepärane kandidaat koduste asjaajamiste jaoks.

On ka mitmeid teisi bio-sensoorseid tehnikaid, mis kasutavad teie keha mõõtmiseks sarnast meetodit - EKG südame aktiivsuse mõõtmiseks (vt allpool), EMG lihaste aktiivsuse mõõtmiseks ja EOG silmade liikumise mõõtmiseks (sellest räägime hiljem). Kõik ülaltoodud toimingud mõõdavad keha pinge erinevust kahe või enama punkti vahel.

Lisaks EEG-le on veel mitmeid BCI-sid, näiteks fMRI, kuid kuna te ei saa kodus (veel!) FMRI-d ja paljusid teisi BCI-sid teha, keskendume EEG-le.

Esiteks: mõned asjad, mida peaks EEG kohta teadma

Kui ma esimest korda EEG-i kohta teada sain, avastasin, et mul oli EEG-i kohta vähe ideid, mis ei vastanud tegelikkusele… nii et enne kui me spetsiifilistesse mõtetesse sukeldume, tahaksin võtta natuke aega, et paar asja otse teha.

EEG graafikus ei saa päriselt “aju lugeda”. Kui ma alguses EEG-ga alustasin, lootsin, et saan õppida EEG-graafikute kaudu mõistust lugema ja arendama mingisugust võimet öelda, mida iga teravik selle kontekstis tähendab. Hiljem avastasin, et graafikus nähtavad asjad on peamiselt müra ja asjad, mis pole iseenesest „EEG”, näiteks silmapilgud, lõualuud.

EEG abil näete ainult väga tugevat ajutegevust, näiteks epilepsiahooge (mida ma tõesti loodan, et te ei pea seda kunagi nägema). Üldine rusikareegel on: "Kui näete seda oma silmaga abita, pole see tõenäoliselt EEG."

Kõige muu jaoks oleks vaja neid andmeid töödelda ja mõnel juhul käivitada mitu katse iteratsiooni, kuni saate tegelikult soovitud signaali. Nii et pidage meeles: hea EEG graafik on puhas.

Te ei saa mõtteid lugeda. EEG abil ei saa eriti täpset teavet, näiteks seda, mida patsient näeb või kuuleb. Ainus teave, mida saate paljude aju neuronite aktiivsuse summast - saate kunagi midagi tuvastada ainult siis, kui see on tõesti drastiline ja hõlmab palju sünkroonis töötavaid neuroneid.

Ühine analoogia on väljaspool suurt spordistaadionit seismine - te ei kuule konkreetseid vestlusi staadioni sees olevate inimeste vahel, vaid näete tühja staadioni ja väga täis staadioni vahel ning saate ka värava löömise tuvastamiseks - kui kuulete sünkroonis publiku poolt tulevat äkilist valju aplausi ja rõõmsat rõõmu.

EEG ei tööta kõigi jaoks. Mõnel inimesel on nn BCI kirjaoskamatus, st. me ei saa signaale konkreetsete ajumustrite kohta mõnedel teemadel. See on tegelikult üsna tavaline - umbes 20% elanikkonnast on BCI-alane kirjaoskamatus ja selle ümberkäimiseks uuritakse.

EEG on AINULT LUGEGA. Sageli küsitakse minult, kas EEG-peakomplekti saab kasutada mõtete süstimiseks või inimeste käitumise muutmiseks nende aju mõjutades. Lühike vastus on ei: te ei saa EEG abil inimeste meelt kontrollida.

Ehkki mida see väärt on, arvan, et oleksin heatahtlik mõttekontroller ...

Mida saate siiski teha, on pakkuda Neurofeedbacki, mida saab kasutada käitumise muutmiseks (kasutades tagasisideahelat: aju → EEG → füüsiline tegevus / sõnum → aju). Neurofeedbacki kasutatakse sageli selleks, et proovida õpetada patsiendile paremat kontrolli oma aju üle. Seda kasutatakse mõnikord selliste haiguste raviks nagu ADHD ja migreen, ehkki EEG roll sellistes ravides on küsitav.

Tere, Maailm

Programmeerimisel on “Tere maailm” kõige esimene, mille programm algajad kirjutavad keeles - programm, mis prindib “Tere maailm”. Elektroonikas tehakse seda tavaliselt valgusdioodi vilkumisega.

EEG abil tuvastas mu Hello World silmapilgutusi. Seejärel ehitasin väikese demo, kus saaksite oma silmaga mängida Chrome Offline T-Rexi mängu. Mõlema nende demoside loomiseks on vaja põhjalikumat mõistmist, mis EEG oli ja kuidas see toimis, ning olen püüdnud allpool olevates osades õpitut kokku võtta.

Nagu ikka, kui teil on küsimusi või mõtteid, andke mulle sellest kommentaarides märku :-)

Pinge / potentsiaalse erinevus

Üks asi, mida on oluline enne tööle asumist tähele panna, on see, et EEG ja neuroteaduse arutamisel kasutatakse sageli pinget ja potentsiaalide erinevust. Selle põhjuseks on asjaolu, et pinget määratletakse kui kahe punkti vahelist potentsiaalset erinevust: kuna pinget mõõdetakse suhteliselt palju, peate alati pingest rääkides määrama kaks punkti.

10–20 süsteem

Üks neist asjadest, mis mind alguses hirmutasid, olid kõik need vihjed sellistele asjadele nagu “FP7” ja “TP10”. Siis sain teada, et need on lihtsalt positsioonid, see on osa 10–20 süsteemist, mida teadlased kasutavad EEG-ga testides / uuringutes märkides, kuhu peanahale elektroodid pannakse.

Kui kasutate oma EEG-katsete tegemiseks müügil olevaid tooteid, siis on nad enamasti juba otsustanud, milliste elektroodidega peate töötama, nii et te ei peaks 10–20 süsteemi enda pärast liiga palju muretsema . Näiteks 2016. aasta Muse seadme versioon on suunatud AF7, AF8 TP9 ja TP10 elektroodidele.

10–20 süsteemimärgist, millel on need, mida kasutab peakomplekt, siniselt.

Ülaltoodud diagrammil on pea pealtvaade, kus nina on nina, siis küljed (A1 / A2) on kõrvad ja INION on pea tagaosa või tehnilisemalt öeldes: kuklaluu ​​kolju põhjas. ”

EEG graafiku lugemine

Kui olete kunagi EEG-graafikut näinud, võib see esmapilgul segadust tekitada - seal toimub palju. Proovime seda koos mõtestada - iga graafi element tähistab erineva elektroodi poolt valitud signaali. Horisontaalne telg (X-telg) on ​​aeg ja vertikaalne (Y-telg) on ​​pinge, mis registreeritakse antud ajahetkel asjakohase elektroodi ja võrdluselektroodi vahel (mäletate? Pinge on kahe punkti vaheline elektripotentsiaali erinevus) .

Allpool näete märkustega EEG-graafikut, mille on salvestanud Alexandre Barachant uue EEG-peakomplekti abil, mida ta praegu arendab. Graafik registreeriti 10 sekundi jooksul, kasutades 8 elektroodi, mis paiknesid FP1, FP2, P3, Pz, P4, POz, O1, O2 (vt ülalpool süsteemi 10–20).

Lisasin graafikule mitu markerit, mis näitavad selliseid funktsioone nagu Alpha Waves (roheline marker), 4 silmapilgutust (lilla marker) ja üks Jaw Clench (tsüaanmarker). Me arutame neid asju varsti.

Ajulained: alfa, beeta, delta, teeta

Ajulained on närvide võnkumised või lihtsamalt öeldes närvide aktiivsus, mis toimub kindla rütmiga. Nagu muud tüüpi lained, mõõdame seda rütmi sageduse osas Hertzi mõõtühiku abil. Näiteks kui teil on närvide aktiivsus, kui pinge läheb ülespoole, siis alla 7 korra sekundis, oleks see 7Hz ajulaine.

Tavalised ajukütmid saavad uurimisel viiteid lühendatud nimetustele, näiteks ajulained Alfa, Beta ja Theta. Beetalained on näiteks vahemikus 12,5–30Hz. Näete neid tavaliselt, kui objekt on ärkvel. Teisalt kasutatakse gammalaineid kiiremale rütmile viitamiseks, tavaliselt üle 40Hz, ja mõnede teadlaste arvates on need seotud fookuse, tähelepanu ja meditatsiooniga. Usun, et see on Muse EEG-peakomplekti teaduslik idee, mida väidetavalt tuleks kasutada muu hulgas meditatsiooni abistamiseks.

Üllatavalt on deltalainete sagedus palju aeglasem (vahemikus 0,5–2Hz) ja need on ka palju tugevamad: signaal läheb palju kõrgemaks kui muud laine tüüpi. Neid seostatakse sügava une etappidega, nii et see on lihtne viis mõõta, kas subjekt kogeb sügavat und. Uuringud näitavad, et deltalainete staadiumis magades segamine põhjustas väsimust ja lihasvalu.

Lõpuks näib, et aju osades, mis praegu on jõude, ilmuvad teist tüüpi lained, mida nimetatakse alfalaineteks. Nende sagedus on umbes 7,5 Hz - 12,5 Hz ja lihtsaim viis nende jälgimiseks on asetada EEG-elektrood pea tagaosale Visual Cortexi kõrvale ja sulgeda silmad. Visuaalse ajukoore jõude olevad neuronid hakkavad sünkroonselt neid alfalaineid tulistama ja te peaksite suutma graafikus olevat mustrit ära tunda. See on ka hea viis EEG-i seadistamise kiireks testimiseks: kui te ei näe silmade sulgemisel Alfa-laineid, siis on midagi kindlasti valesti (noh, ma mõtlen - peaksite neid nägema pärast seda, kui olete nad uuesti avanud, muidugi…).

Siin on ekraanipilt minu nurkmuusa rakendusest, mis näitab Alfa-laineid. Punase markeriga tähistatud punkt on siis, kui ma silmad avasin, ja näete nii silmamuna liikumisest põhjustatud potentsiaalset erinevust (EOG - vt allpool) kui ka pärast seda mustri muutust. Seda mõõdeti TP9-s - minu kõrvade lähedal, mitte optimaalseks kohaks Visual Cortex Alpha lainete otsimiseks, kuid need on piisavalt tugevad, et neid seal ikkagi näha oleks:

Siin olge alfalained! Punane nool näitab hetke, kui ma silmad avasin

ERP - sündmustega seotud potentsiaal

Sündmustega seotud potentsiaal (ERP) on lihtsalt teravik, mida saate mõõta EEG-seadmega ja mis toimub vastusena stiimulile. Näiteks kui näete nägu, siis negatiivse pinge spike, mis ilmub EEG graafikus umbes 170 millisekundit (see töötab isegi näoosade, näiteks silmade jaoks).

Vaatame üle mõned näited, et see selgem oleks:

P300

P300 on positiivne teravik, mis ilmub umbes 300 millisekundi järel pärast teie huvi äratava stiimuli kasutamist. Näiteks kui ootate, et mõni sõber teid valiks, ja kui palju autosid möödub, on teil alati positiivne pingekõrge, kui näete sõbra autot meenutavat autot. P300 saab kõige paremini kätte oma pea tagaküljest - umbes POz või Pz (vt süsteemi 10–20 eespool).

Vaadakem näiteks aju sissetungijate mängu, mille Alexandre Barachant arendas välja oma esimese postdokumendi ajal ja mis näitab P300 tegevust. See on tavaline sissetungijate mäng, millel on keerdkäik - igal tasandil peate hävitama ühe konkreetse sissetungija, mis on taseme alguses tähistatud punase ringiga. Te peaksite seda tegema, keskendudes sellele sissetungijale ja lugedes, mitu korda see esile tõstetakse. Mäng ise tõstab sissetungijate erinevat alamhulka mitme iteratsiooni jaoks välja ja iga kord pärast alamhulga esiletõstmist otsib see positiivset signaali 300 millisekundi pärast esiletõstmist (see on P300!).

Seejärel otsitakse sissetungijat, kes on ilmunud kõigis erinevates alamkomplektides, millel oli P300 signaal, ja see sissetungija hävitatakse. Eeldusel, et keskendusite endiselt sissetungijale, kuvatakse P300 ainult seda esiletõstvates alamhulkades ja siis see hävitatakse ning võite taseme võita. See näeb välja nagu tegevus:

Mängu kohta saate lugeda siit või vaadata lähtekoodi.

Veel üks huvitav kasutusjuhtum on P-300-põhine spelleerija, kus kasutaja saab sõnu kirjutada, keskendudes tähtedele, mida nad tahavad korraga kirjutada, kus tähed tõstetakse seejärel sissetungijate mänguga sarnaselt esile:

Video tüüp kasutab EEG-peakomplekti nimega Emotiv. Siin on veel üks P300 demo, kus saate ka näha, kuidas süsteemi treeniti. See on üles ehitatud Cognionics Dry EEG süsteemi ümber.

Ehkki kiirus üks sõna minutis (või vähem) ei pruugi tunduda muljetavaldav, leidub seal inimesi, kelle jaoks see võib olla nende ainus viis suhelda (nt lukustatud sündroom), kus eeluuringud näitavad selle tehnoloogia kasutamisel paljutõotavaid tulemusi. diagnoos). Tarkuse järgmise sõna ennustamine võib samuti aidata seda kiirendada, võimaldades palju tõhusamat suhtlemist. Võib-olla see on põhjus, miks Facebook ka selles suunas otsib.

N170, N100 ja muud huvitavad ERP-d

N170 on negatiivne teravik, mis ilmub umbes 170 millisekundi jooksul pärast näo või näoosa, näiteks silmade nägemist.

N100 on teist tüüpi ERP ja nagu nime järgi võite arvata, ilmub see umbes 100 millisekundi pärast ootamatuid stiimuleid, kui olete jõude, näiteks valju müra, äkiline valu jne. Üks näide kliinilisest kasutamisest on kuulmismeel süsteemtestid juhul, kui patsiendid ei saa tagasisidet anda, näiteks koomas viibides.

SSVEP

SSVEP tähistab püsiseisundi visuaalselt esile kutsutud potentsiaali. Hoolimata keerulisest nimest tähendab see põhimõtteliselt seda, et kui ma näitan teile teatud aja jooksul teatud sagedusel (Wikipedia andmetel 3,5–75 korda sekundis) vilkuvat valgusallikat, siis teie aju võtab selle sageduse üles ja te saate et seda ajulainetes näha.

Stimuleerimise pikkus, mida vajate, et sagedus EEG-graafikus kuvataks, sõltub sagedusest, kuid 1 sekundist peaks piisama iga sageduse puhul, mis ületab 10 Hz.

20Hz SSVEP-stiimulid. Keskenduge sellele ja teie ajulained hakkavad rütmi järgi tantsima

Sarnaselt SSVEP-ga on ka SSAEP for Audio ja SSSEP sensoorsete stiimulite jaoks.

EKG, EMG, EOG EEG kaudu

Need kolm terminit tähistavad südame aktiivsuse, lihaste operatsioonide ja silmaliigutuste mõõtmist elektrilise aktiivsuse registreerimisega, sarnaselt sellele, mida teeme EEG-ga. Tegelikult saab EEG-seade hõlpsalt kõik ülaltoodu valida!

Näiteks Muse seadme puhul, kui ma puutun parema käega eesmisi elektroode ja vasaku käega kõrvaelektroode, näen väga selget EKG graafikut, mis näitab minu südame elektrilist aktiivsust:

Vaadake minu südamelööke sellest Muse-seadmega salvestatud EKG graafikust

EKG signaalid on palju tugevamad kui EEG - nad võivad saada koguni 1000 mikrovolti, samal ajal kui mõõdetud EEG aktiivsus on maksimaalne umbes 100 mikrovolti.

EMG tähendab elektriliste signaalide mõõtmist, mis tulenevad meie lihasrakkude aktiveerimisest. Neid saab kätte ka EEG-seadmete abil - just nii suudab Muse seade tuvastada näiteks lõualuude kokkupõrke. EMG võib graafikus välja näha järgmiselt:

Jaw Clench EMG, üles võetud T8-s (parema kõrva kõrval). Foto autor: Alexandre BarachantMina, näägutades, nagu muuseu kätte võttis

Lõpuks saab EOG salvestada meie silmamuna liikumised - nii saame EEG-peakomplekti abil vilkumist hõlpsalt tuvastada (lisateavet saate minu Reaktiivsete ajulainete postitusest).

Seadmed

EEG-ga alustamiseks on mitu tarbijaseadet, näiteks OpenBCI, mis on avatud lähtekoodiga EEG riistvara + tarkvarapakett. Minu lemmik (ja ainus) seade on hetkel Muse, 249 $ EEG seade, millel on neli elektroodi (ja võimalus välist kinnitada). Emotiv on veel üks müüja, kes toodab kas 5 või 14 kanaliga seadet, nii et kuigi need on mõnevõrra kallimad võimalused (te ei saa sisendsignaalile juurde pääseda, kui maksate nende väga kalli SDK eest), võivad need olla uuringute jaoks kasulikumad .

Kuidas saab EEG meie elu paremaks muuta?

EEG võib muuta piiratud liikumisvõimega inimeste jaoks tõeliselt oluliseks, pakkudes neile uut liidest, et nad saaksid suhelda ja suhelda välismaailmaga (näiteks ülaltoodud näited, mis kasutavad P300 ERP-d).

Minuga võtsid ühendust mõned Iisraeli Ben-Gurioni ülikooli teadlased, kes üritavad ehitada brauserilaiendit, mis võimaldab EEG-peakomplektiga veebis sirvida. See oleks suur eelis inimestele, kes ei saa klaviatuuri kasutada. Nad katsetavad mõlemat, kasutades selleks silmade liikumist ja P300 (eespool mainitud). Veel üks huvitav projekt, mis pöördus minu poole eelmisel nädalal programmeerimise abistamiseks, uurib võimalusi EEG kasutamiseks ALS-iga inimeste abistamiseks. Tuleb siiski märkida, et EEG ribalaius on praegu üsna aeglane, nii et otsene juhtimine EEG kaudu (näiteks hiire või klaviatuuri abil) ei pruugi praegu realistlik olla.

Lõpuks, ühel heal sõbral diagnoositi hiljuti lapsel hüpsarütmia, mis on seotud aju kaootilise ja ebaregulaarse elektrilise aktiivsusega. Sel juhul õnnestus tema laps varakult diagnoosida, kuid muudel vähem ilmsetel juhtudel võib see seisund jääda märkamatuks ja see võib negatiivselt mõjutada aju arengut, kui seda ei ravita õigel ajal. Ta loodab, et taskukohased seadmed, näiteks Muse, muudavad selle seisundi diagnoosimise palju taskukohasemaks ja uurib praegu, kuidas see võiks olla võimalik.

Kuna EEG muutub odavamaks, on huvitav näha, milliseid muid tarbijatele mõeldud tehnoloogiarakendusi hüpikaken ilmub (või et teiega hakkavad häkkerid arenema!). Veel üks huvitav asi selliste projektide nagu Muse tundlike prillide korral on see, et me saame nüüd suhteliselt hõlpsalt proovile panna seda kandva inimese vaimset seisundit, andes meile ettekujutuse oma keskendumisvõimest ja vaimsest töökoormusest (huvitaval kombel ka lingitud paberil eespool märkasid nad seda seika, et “kogenud meditatsiooniprofessionaalidel on väga märgatav (EEG) profiil”).

See võib isegi aidata meil paremini selgeks saada unistades ... aga me peame seda ootama ja vaatama!

Ettepanekud edasiseks lugemiseks

Soovitan lugeda seda hämmastavat tükki NeuraLinki kohta. Pole juhus, see avaldati umbes kuu aega enne neuroteadustesse asumist - pärast selle lugemist sain inspiratsiooni hakata seda valdkonda uurima.

Samuti, kui teil on Muse-seadet, vaadake kindlasti EEG 101 - avatud lähtekoodiga Androidi rakendust, mis õpetab EEG põhitõdesid.

Kõige tähtsam on ühineda NeuroTechX Slack kogukonnaga! Nagu eespool mainitud, õppisin just sel viisil kõige rohkem, mida tean täna EEG kohta, ja see oli aluseks paljudele, mida te ülalpool lugesite.