Содержание статьи
С чего все начиналось
Интерес к изучению мозга техническими методами возник сравнительно недавно — примерно на рубеже XIX и XX веков. В 1920-х годах исследователь Эдгар Эдриан предположил, что нейроны генерируют электрические импульсы и служат базовым элементом куда более сложной структуры. Позже Дональд Хебб разработал (1949) теорию пластичности синаптической передачи и нейронных ансамблей, что перевернуло представление об обязанностях, «закрепленных» за конкретными областями коры головного мозга. Оказалось, что при необходимости нейроны охотно меняют свои функции и нельзя выделить какую-то одну группу, отвечающую, например, за навыки информационной безопасности.
В 1960-х в лаборатории нейронального контроля Национального института здоровья США впервые попытались записать и обработать электрический сигнал с нейронов подопытной обезьяны. Пару десятилетий спустя эта же группа ученых экспериментировала с анализом мозговой деятельности уже в реальном времени, позволяя пациентам зажигать лампочки светового табло «силой мысли». Открывшиеся возможности окрылили исследователей, и варианты прикладных применений не заставили себя долго ждать. Первая научная статья, описывающая успешные эксперименты с «виртуальной клавиатурой» для парализованных людей, вышла в 1999 году (Нилс Бирбаумер).
Увы, мыслительные процессы человека оказались устроены гораздо сложнее, чем изначально предполагали ученые. Этим объясняется некоторый спад интереса к нейроинтерфейсам в начале XXI века. Однако история циклична, и сегодня многие проекты переживают второе рождение.
Во-первых, этому способствовал прогресс в аппаратном обеспечении. За последние несколько лет в продаже появились доступные по цене и относительно мало потребляющие аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые можно успешно использовать в задачах оцифровки биологических сигналов. Например, сигма-дельта-АЦП ADS1263 имеет заявленное разрешение 32 бит, уровень собственных шумов порядка 7 нВ, максимальную частоту оцифровки 38,4 кГц и полное входное сопротивление около 1 ГОм. Эти качества позволяют использовать микросхему в системах сбора информации без дополнительных буферных усилителей.
Кроме АЦП, существенно продвинулись по характеристикам инструментальные усилители, входное сопротивление которых приближается к тераомам, а коэффициент усиления составляет десятки тысяч раз. При этом собственные токи утечек и токовый шум не превышают одного пикоампера, что помогает разработчикам проектировать крайне чувствительные схемы съема биопотенциалов.
Из более очевидных вещей: производительность наших компьютеров выросла в десятки раз. Не в последнюю очередь это стало возможным благодаря использованию GPU-, FPGA- и ASIC-микросхем для анализа сигналов в реальном времени. Кроме того, весьма популярная сегодня модель организации вычислений в облаке позволяет компаниям легко арендовать необходимые мощности, концентрируясь на главном.
Во-вторых, вместе с аппаратной частью эволюционировали и возможности нашего программного обеспечения. Появились дружественные к исследователям фреймворки, высокоуровневые языки программирования и многочисленные способы визуализации и классификации информации. Например, сегодня с помощью нейросети можно легко отслеживать возникающие события и корреляцию даже в зашумленных рядах данных.
Ниже на рисунке изображены основные группы алгоритмов, которые используются для поиска особенностей сигнала в реальном времени.
Что касается основного источника информации для интерфейса «мозг — компьютер», то тут особых изменений не произошло. Сегодня наиболее часто используются сигналы с электроэнцефалограмм. Альтернативным способом может быть функциональная магнитно-резонансная томография (fMRI) и магнитоэнцефалография. Однако, как ты понимаешь, разработать компактный томограф практически невозможно, а многомиллионная стоимость готовых аппаратов ограничивает их использование только крупными коллективами в компаниях и институтах.
Нейроинтерфейсы сегодня
Снятие сигналов ЭЭГ, как и любых других малых аналоговых сигналов, — задача весьма непростая: их характеристики нестационарны, они подвержены внешнему шуму и могут влиять друг на друга. Существующие на данный момент проекты клавиатур и прочих устройств ввода предполагают использование внешнего стимула. Возникающий ответный отклик и будет улавливаться сенсорной частью BCI (Brain Computer Interface). Согласись, гораздо проще установить событие, когда ты точно знаешь, когда именно оно должно было произойти. 🙂
В общем случае стимулы можно разделить на две основные группы. Event Related Potentials (ERPs) — это сигналы мозга, генерируемые в ответ на ощущаемые или когнитивные события (громкий звук, резкий запах). А Visualy Evoked Potentials (VEPs) — это сигналы, подкрепленные каким-либо визуальным воздействием.
Думаю, проще пояснить на примерах: когда у человека стоит задача выбрать один предмет из многих изображенных, работает принцип ERP. В ответ на нужный стимул с определенной задержкой возникает хорошо регистрируемый системами ЭЭГ однократный сигнал. Если же в область внимания человека попадает мерцающий с определенной интенсивностью графический объект и есть возможность захватить переменный сигнал от электродов на соответствующей частоте — это система VEP.
Наиболее широко используется сегодня метод SSVEP (Steady State VEP). Это такой формат визуальной клавиатуры, в котором каждому элементу соответствует своя уникальная частота мерцания. Пользователь при этом имитирует нажатие кнопки с помощью фокусировки внимания на нужном компоненте интерфейса.
Как правило, активность участков мозга в ЭЭГ принято делить по наблюдаемой частоте (в герцах): дельта (f<=4), тета (4<f<=8), альфа (8<f<=12), бета (12<f<=30) и гамма (f>30). Для анализа сигналов человеческой моторики (в том числе движений пальцев при наборе на клавиатуре) используется в основном анализ альфа- и бета-активности.
Впрочем, не все так просто. Качество снимаемых электроэнцефалограмм сильно зависит от множества сторонних факторов, вплоть до состояния здоровья и текущего настроения человека. Поэтому многие реально существующие системы часто не только подгоняют под конкретного пользователя, но и обязательно калибруют время от времени.
Продолжение доступно только участникам
Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте
Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», позволит скачивать выпуски в PDF, отключит рекламу на сайте и увеличит личную накопительную скидку! Подробнее
Вариант 2. Открой один материал
Заинтересовала статья, но нет возможности стать членом клуба «Xakep.ru»? Тогда этот вариант для тебя! Обрати внимание: этот способ подходит только для статей, опубликованных более двух месяцев назад.
Я уже участник «Xakep.ru»
