ما هو التخطيط الدماغي ولماذا هو مطلوب

يحب العلماء البحث عن أول ذكر لعلومهم. على سبيل المثال ، رأيت مقالًا قيل فيه بجدية أن التجارب الأولى على التحفيز الكهربائي للدماغ أجريت في روما القديمة ، عندما صدم شخص من ثعبان البحر الكهربائي. عادةً ما يتم حساب تاريخ الفيزيولوجيا الكهربية بطريقة أو بأخرى من تجارب لويجي جالفاني (القرن الثامن عشر). في هذه السلسلة من المقالات ، سنحاول أن نحكي جزءًا صغيرًا عما تعلمه العلم على مدى 300 عام الماضية عن النشاط الكهربائي للدماغ البشري ، وعن الأرباح التي يمكن استخلاصها من كل هذا.

من أين يأتي نشاط الدماغ الكهربائي؟

يتكون الدماغ من الخلايا العصبية والدبقية. تظهر الخلايا العصبية نشاطًا كهربائيًا ، كما يمكن أن تفعل الدبقية هذا ، لكن بطريقة مختلفة [ 1 ] ، [ 2 ] ، واليوم لن ننتبه إليه.

يتمثل النشاط الكهربائي للخلايا العصبية في ضخ أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والكلور بين الخلية والبيئة. بين الخلايا العصبية ، تنتقل الإشارات باستخدام الوسطاء الكيميائيين. عندما يدخل وسيط تفرزه إحدى الخلايا العصبية مستقبلاً مناسباً لخلايا عصبية أخرى ، يمكن أن يفتح قنوات أيونات منشّطة كيميائيًا ويترك كمية صغيرة من الأيونات في الخلية. نتيجة لذلك ، تغير الخلية شحنتها قليلاً. إذا دخلت أيونات كافية إلى الخلية (على سبيل المثال ، وصلت إشارة إلى العديد من نقاط الاشتباك العصبي في نفس الوقت) ، وقنوات أيونات أخرى تعتمد على الجهد (هناك المزيد) مفتوحة ، ويتم تنشيط الخلية في غضون مللي ثانية على أساس مبدأ "الكل أو لا شيء" ، ثم تعود إلى الشرط السابق. وتسمى هذه العملية العمل المحتملة.

كيف يمكنني تسجيله

أفضل طريقة لتسجيل نشاط الخلايا الفردية هي لصق قطب كهربائي في القشرة. يمكن أن يكون سلكًا واحدًا ، أو يمكن أن يكون عبارة عن مصفوفة تحتوي على عدة عشرات من القنوات ، أو يمكن أن يكون دبوسًا مع عدة مئات ، أو يمكن أن يكون لوحة مرنة تضم عدة آلاف (مثل هذا بالنسبة لك ، قناع قناع ).

على الحيوانات ، وقد تم ذلك لفترة طويلة. في بعض الأحيان ، لأسباب صحية (الصرع ، مرض الشلل الرعاش ، الشلل التام) ، يتم إجراؤها على شخص. يمكن للمرضى الذين يزرعون عملية طباعة النص بقوة التفكير والتحكم في الهياكل الخارجية وحتى التحكم في جميع درجات حرية التلاعب الصناعية.

يبدو الأمر مثيرًا للإعجاب ، ولكن في المستقبل القريب ، لن تأتي هذه الأساليب إلى كل عيادة في المنطقة ، ولا سيما الأشخاص الأصحاء. أولاً ، أنها مكلفة للغاية - تقاس تكلفة الإجراء لكل مريض بمئات الآلاف من الدولارات. ثانياً ، لا يزال زرع الأقطاب الكهربائية في القشرة عملية جراحية عصبية خطيرة مع كل المضاعفات المحتملة والأضرار التي لحقت بالأنسجة العصبية حول الزرع. ثالثًا ، التكنولوجيا نفسها غير مكتملة - ليس من الواضح ما يجب فعله مع توافق الأنسجة في عمليات الزرع ، وكيفية منع تلوثها بالجليا الدبقية ، ونتيجة لذلك تتوقف الإشارة المطلوبة عن التسجيل. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لتدريس كل مريض كيفية استخدام الزرع أن يستغرق أكثر من عام من التدريب اليومي.

لا يمكنك لصق الأسلاك في أعماق اللحاء ، لكن ضعها برفق عليها - تحصل على مخطط كهربية. هنا لم يعد بالإمكان تسجيل إشارة الخلايا العصبية الفردية ، ولكن يمكنك رؤية نشاط المساحات الصغيرة جدًا (القاعدة العامة هي ، كلما كانت الخلايا العصبية أبعد ، كانت الدقة المكانية لهذه الطريقة). مستوى الغزو أقل ، لكن لا تزال بحاجة إلى فتح الجمجمة ، لذلك تستخدم هذه الطريقة بشكل أساسي للمراقبة أثناء العمليات.

لا يمكنك وضع الأسلاك على القشرة بل على الجافية (الجمجمة الرفيعة الموجودة بين الدماغ والجمجمة الحقيقية). هنا يكون مستوى الغزو والمضاعفات المحتملة أقل ، لكن الإشارة مازالت عالية الجودة. وسوف تتحول EEG فوق الجافية. هذه الطريقة جيدة للجميع ، ومع ذلك ، لا تزال هناك حاجة إلى عملية هنا.

أخيرًا ، هناك طريقة غازية الحد الأدنى لدراسة النشاط الكهربائي للدماغ هي رسم تخطيط كهربية ، أي تسجيل باستخدام أقطاب كهربائية موجودة على سطح الرأس. هذه الطريقة هي الأكثر انتشارًا ورخيصة نسبيًا (لا تكلف الأجهزة المتطورة أكثر من عشرات الآلاف من الدولارات ، وغالبًا ما تكون أرخص عدة مرات ، والمواد الاستهلاكية مجانية تقريبًا) ، ولديها أعلى دقة زمنية للطرق غير الغازية - يمكنك دراسة عمليات الإدراك ، والتي تستغرق بضع ثوانٍ. العيوب - انخفاض الدقة المكانية وإشارة صاخبة ، والتي ، مع ذلك ، تحتوي على معلومات كافية لبعض الأغراض الطبية واجهة العصبية.

في الصورة التي تحتوي على إمكانات الحركة ، يمكن ملاحظة أن المنحنى يتكون من جزأين رئيسيين - في الواقع ، إمكانية الحركة (الذروة الكبيرة) والإمكانات التشابكية (تغيير بسيط في السعة قبل الذروة الكبيرة). سيكون من المنطقي افتراض أن ما نسجله على سطح الرأس هو مجموع إمكانات عمل الخلايا العصبية الفردية. ومع ذلك ، في الواقع ، كل شيء يعمل في الاتجاه المعاكس - إن إمكانات الحركة تستغرق حوالي 1 مللي ثانية ، وعلى الرغم من اتساعها العالي ، لا تمر عبر الجمجمة والأنسجة الرخوة ، لكن الإمكانات التشابكية بسبب طولها الأطول يتم تلخيصها وتسجيلها على سطح الجمجمة. وقد ثبت ذلك من خلال التسجيل المتزامن بطرق الغازية وغير الغازية. من المهم أيضًا تسجيل نشاط كل الخلايا العصبية باستخدام مخطط كهربية الدماغ (مزيد من التفاصيل هنا ).

من المهم وجود حوالي 86 مليار خلية عصبية في المخ (كيف يمكن حساب ذلك بهذه الدقة ، اقرأ هنا ) ، ومن المستحيل حساب نشاط خلية عصبية واحدة في مثل هذه الضوضاء. ومع ذلك ، لا يزال من الممكن سحب بعض المعلومات. تخيل أنك تقف في وسط ملعب لكرة القدم. بينما يصدر المشجعون ضجيجًا ويتحدثون فيما بينهم ، تسمع صوتًا متواضعًا ، لكن بمجرد أن يبدأ جزء صغير من الحاضرين يهتفون بالترديد ، يمكن بالفعل سماع ذلك بوضوح تام. بنفس الطريقة مع الخلايا العصبية - على سطح الجمجمة ، يمكنك رؤية إشارة ذات معنى فقط إذا كان هناك عدد كبير من الخلايا العصبية التي تظهر نشاطًا متزامنًا على الفور. ل EEG غير الغازية ، وهذا هو ما يقرب من 50 ألف الخلايا العصبية العاملة بشكل متزامن.

لأول مرة ، تم تحقيق فكرة قياس التوتر على رأس الشخص في عام 1924 من قبل شخص مثير للاهتمام إلى حد ما. بدا سجل EEG الأول كالتالي:

من الصعب فهم ما تعنيه هذه الإشارة ، لكن من الواضح على الفور أنها لا تبدو وكأنها ضوضاء بيضاء - حيث تكون مغازل التذبذبات عالية السعة والترددات المختلفة ملحوظة فيها. إيقاع ألفا هو إيقاع الدماغ الأكثر وضوحًا الذي يمكن رؤيته بالعين المجردة.

الآن ، بالطبع ، لا يتم تحليل إيقاعات EEG عن طريق العين ، ولكن عن طريق الأساليب الرياضية ، وأبسطها طيفية.

طيف فورييه مخطط مخطط كهربية الدماغ ( المصدر )

إجمالاً ، هناك عدة نطاقات يتم فيها عادة تحليل النشاط الإيقاعي لـ EEG ، وهنا الأكثر شيوعًا:

8-14 هرتز - إيقاع ألفا. قدمت أساسا في المناطق القذالي. يزداد بشكل كبير عند إغلاق العينين ، كما يتم قمعه بالإجهاد العقلي ويزيد مع الاسترخاء. يتم إنتاج هذا الإيقاع عندما يدور الإثارة بين القشرة والمهاد. المهاد هو نوع من الموجه الذي يقرر كيفية إعادة توجيه المعلومات الواردة إلى القشرة. عندما يغلق الشخص عينيه ، ليس لديه ما يفعله ، يبدأ في توليد نشاط خلفي ، مما يسبب إيقاع ألفا في القشرة. بالإضافة إلى ذلك ، تلعب شبكة الوضع الافتراضي دورًا مهمًا - شبكة من الهياكل النشطة خلال اليقظة الهادئة ، ولكن هذا موضوع لمقال منفصل.

هناك نوع من إيقاع ألفا الذي يسهل الخلط بينه وبين إيقاع mu. لها خصائص مماثلة ، ولكن يتم تسجيلها في المناطق الوسطى من الرأس ، حيث توجد القشرة الحركية. ميزة هامة هي أن قوتها تتناقص عندما يتحرك شخص ما أطرافه ، أو حتى يفكر في كيفية القيام بذلك.

14-30 هرتز - إيقاع بيتا. أكثر وضوحا في الفص الجبهي من الدماغ. يزيد مع الإجهاد العقلي.

30+ هرتز - إيقاع غاما. قد يكون في مكان ما داخل الدماغ ، ولكن معظم ما يمكن تسجيله من السطح يأتي من العضلات. اكتشفنا ما يلي :

من الضروري إزالة نشاط العضلات بطريقة أو بأخرى من الرأس من أجل تسجيل EEG مع وبدون عضلات. لسوء الحظ ، لا توجد طريقة سهلة لتعطيل العضلات على الرأس دون فصلها في جميع أنحاء الجسم. نحن نأخذ عالِمًا (لن يوافق أي شخص آخر على مثل هذا الشيء) ، ونضخه بإرخاء العضلات ، ونتيجة لذلك تنفصل جميع العضلات. المشكلة هي أنه إذا قمت بإغلاق جميع العضلات ، بما في ذلك الحجاب الحاجز والرباعي ، فلن يتمكن من التنفس. الحل - ضعه على جهاز التنفس الصناعي. المشكلة هي أنه لا يستطيع حتى التحدث بدون عضلات. الحل - وضعنا عاصبة على ذراعه حتى لا يقع ارتخاء العضلات هناك ، ثم يمكنه إعطاء إشارات بهذا الذراع. المشكلة هي أنه إذا قمت بتشديد التجربة ، فسوف تسقط اليد. الحل - نوقف التجربة عندما يتوقف العالم عن الشعور بيده ، ونأمل أن ينتهي كل شيء بشكل جيد. النتيجة - حصة في طيف تردد EEG لأكثر من 20 هرتز على خلفية ارتخاء العضلات تقل بمقدار 10-200 مرة ، وكلما زاد التردد ، زاد الانخفاض.

1-4 هرتز - إيقاع دلتا. إذا تم التعبير عن ذلك أثناء المرحلة ، فجأة ، يزداد النوم دلتا (أعمق النوم) مع الإجهاد.

بالإضافة إلى النشاط الإيقاعي ، هناك أيضًا نشاط تم استحضاره في EEG. إذا علمنا بشكل مؤكد في أي لحظة نظهر فيها لشخص ما حافزًا (يمكن أن يكون صورة أو صوتًا أو إحساسًا باللمس أو حتى الرائحة ) ، يمكننا أن نرى ما هو رد الفعل على هذا التحفيز المحدد. تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء لمثل هذه الاستجابة فيما يتعلق بخلفية EEG منخفضة إلى حد ما ، ولكن إذا أظهرنا الحافز ، على سبيل المثال ، 10 مرات ، نقوم بخفض EEG نسبة إلى لحظة العرض التقديمي والمتوسط ​​، يمكننا الحصول على منحنيات مفصلة تمامًا ، والتي تسمى الإمكانات المستحثة (لا يمكن الخلط بينها وبين الإمكانات) العمل).

هذا هو احتمال أثار الصوت. سنترك التفاصيل لعلماء الفيزيولوجيا النفسية - هنا يكفي أن نفهم أن كل طرف يعني شيئًا ما. مع المتوسط ​​الكافي ، ستكون استجابات البنى مرئية ، بدءًا من العصب السمعي (I) وتنتهي بالقشرة الترابطية (P2).

ما الذي يمكن عمله معها

يمكنك القيام بالكثير من الأشياء ، لكن اليوم سنركز على واجهات الكمبيوتر العصبي. هذه هي أنظمة تحليل EEG في الوقت الفعلي التي تسمح بإرسال الأوامر إلى جهاز كمبيوتر أو روبوت دون مساعدة العضلات - الأقرب إلى التحريك الذهني التي يمكن أن يوفرها العلم الحديث.

الشيء الأكثر وضوحا الذي يتبادر إلى الذهن هو جعل واجهة على النشاط الإيقاعي. نتذكر أن إيقاع ألفا صغير عندما يكون الشخص متوتراً ، والكثير عندما يرتاح؟ لذا استرخ. نكتب EEG ، قم بتحويل Fourier ، عندما أصبحت الطاقة الموجودة في النافذة حوالي 10 هرتز أعلى من عتبة معينة ، قم بتشغيل المصباح الكهربائي - وهذا هو التحكم في الكمبيوتر بواسطة قوة التفكير. قد يسمح لك نفس المبدأ بالتحكم في الإيقاعات الأخرى. نظرًا لبساطتها وتجاهلها ، ظهرت الكثير من الألعاب التي تعمل على هذا المبدأ - Neurosky ، Emotiv ، الآلاف منها. من حيث المبدأ ، إذا حاولت بجد ، يمكن للشخص أن يتعلم الوصول إلى الحالة الصحيحة ، والتي سيتم تصنيفها بشكل صحيح. تكمن مشكلة الأجهزة الاستهلاكية في أنها لا تكتب غالبًا إشارة عالية الجودة ، وأنها غير قادرة على طرح القطع الأثرية من حركات عضلات العين والوجه. نتيجة لذلك ، هناك فرصة حقيقية لتعلم كيفية التحكم في العضلات والعينين ، وليس الدماغ (والعقل الباطن يعمل بحيث لا تحاول القيام بذلك ، وكلما زاد الأمر سوءًا). بالإضافة إلى ذلك ، فإن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الإيقاعات منخفضة جدًا ، وتكون الواجهة بطيئة وغير دقيقة (إذا كان يمكنك تخمين الحالة بشكل صحيح بدقة تزيد عن 70٪ - وهذا بالفعل إنجاز). نعم ، والقاعدة العلمية للدولة باستثناء الاسترخاء والتركيز ، بعبارة ملطفة ، غير مستقرة. ومع ذلك ، مع التنفيذ السليم ، قد يكون الأسلوب تطبيقه.

مجموعة فرعية مهمة من واجهات على الإيقاعات هو تمثيل الحركات. هنا يتم دعوة الشخص إلى عدم تخيل شيء يسترخي بشكل مريح ، ولكن لتمثيل حركة اليد اليمنى ، على سبيل المثال. إذا قمت بذلك بشكل صحيح (وتعلم صعوبة العرض التقديمي الصحيح) ، يمكنك اكتشاف انخفاض في إيقاع mu في نصف الكرة الأيسر. تدور دقة هذه الواجهات أيضًا بنسبة 70٪ ، ولكنها تستخدم في أجهزة المحاكاة للتعافي من السكتات الدماغية والإصابات ، بما في ذلك استخدام الهياكل الخارجية المختلفة ، لذلك لا تزال هناك حاجة إليها.

تعتمد فئة أخرى من واجهات EEG العصبية على استخدام النشاط المستحث من جميع الأنواع. هذه الواجهات موثوقة للغاية ، مع مجموعة ناجحة من الظروف تقترب من 100 ٪.

يتضمن الشكل الأكثر شيوعًا للواجهات العصبية إمكانية P300. ينشأ عندما يحاول الشخص تحديد حافز واحد يحتاجه بين العديد من الحوافز غير الضرورية.

على سبيل المثال ، إذا حاولنا هنا حساب عدد المرات التي تضيء فيها الحرف "A" ، وفي نفس الوقت لا تهتم بكل الآخرين ، ثم استجابةً لهذا التحفيز ، عند المتوسط ​​، سنرى خطًا أحمر ، وعند تحديد متوسط ​​كل الحروف الأخرى ، يكون الخط الأزرق. الفرق بينهما ملحوظ بالعين المجردة ، وتدريب المصنف الذي يميزها ليس بالأمر الصعب.

عادةً ما لا تكون هذه الواجهات جميلة جدًا ، وليست سريعة جدًا (تستغرق طباعة حرف واحد حوالي 10 ثوانٍ) ، ولكنها قد تكون مفيدة للمرضى المصابين بالشلل تمامًا.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك عنصر إدراكي في IMC-P300 - مجرد النظر إلى خطاب لا يكفي ، تحتاج إلى الاهتمام به بنشاط. يسمح هذا ، في ظل ظروف معينة ، بصنع ألعاب مثيرة للاهتمام على هذه التكنولوجيا (ولكن هذا موضوع لمقال آخر).

نظرًا لحقيقة أن P300 هو إمكانات معرفية ، فليس من المهم للغاية بالنسبة له ما يظهر في الواقع لشخص ما ، والشيء الرئيسي هو أنه قادر على الرد عليه. نتيجة لذلك ، ستعمل الواجهة حتى لو استبدلت الحروف بعضها ببعض في وقت واحد - وهذا مفيد للمرضى الذين لا يستطيعون تحريك أعينهم.

هناك إمكانات أخرى مثيرة للإثارة ، خاصة SSVEP (ZVPUS) - إمكانات حالة مستقرة. إذا كنت تبحث عن أوجه تشابه في مجال الاتصالات ، فإن جهاز P300 يعمل مثل جهاز اتصال لاسلكي ، حيث يتم فصل الإشارات الصادرة عن المنبهات المختلفة بمرور الوقت ، و SSVEP هو FDMA كلاسيكي - فصل بواسطة تردد الناقل ، كما هو الحال في اتصالات GSM.

من الضروري أن تظهر للشخص العديد من المحفزات التي تومض على ترددات مختلفة. عند اختيار الحافز ، يكفي أن ننظر إليه بعناية ، وبعد بضع ثوانٍ سوف يظهر تردده بطريقة سحرية في القشرة البصرية ، حيث يمكن سحبها عن طريق الارتباط أو الطرق الطيفية. هذا أسرع وأسهل من قراءة الأحرف في P300 ، لكن من الصعب النظر إلى مثل هذا الطرفة لفترة طويلة.

حيث يوجد FDMA ، يوجد مكان CDMA ذاته:

الرمادي هو التسلسل الثنائي ، واللون هو النشاط الناجم عن ذلك في جميع القنوات ، والخريطة هي توزيع الإمكانات في EEG. ينظر إلى أن الحد الأقصى على الجزء الخلفي من الرأس هو في المناطق البصرية

من الممكن تعديل وميض المنبهات ليس بالترددات والأطوار ، ولكن بالتسلسلات الثنائية المتعامدة ، والتي تنتهي بالمثل في القشرة المرئية وتصنف باستخدام تحليل الارتباط. يمكن أن يساعد ذلك في تحسين تدريب المصنف قليلاً وتسريع الواجهة - يمكن أن يستغرق حرف واحد أقل من ثانيتين. نظرًا للاختيار الناجح للألوان ، يمكنك جعل الواجهة vyrviglaznym أقل قليلاً ، على الرغم من التخلص تمامًا من الوميض. لسوء الحظ ، فإن المكون المعرفي هنا ليس واضحًا للغاية - تتبع حركات العين يعطي نتائج قابلة للمقارنة ، ولكن أبسط من الناحية الفنية وأرخص وأكثر ملاءمة.

عندما أتحدث عن مدى نجاح هذه الواجهات أو أنواعها الأخرى ، يجب أن أعمل باستمرار بنسبة إشارة إلى الضوضاء. في الواقع ، فإن الإمكانات التي تم إثارتها لها سعة منخفضة تبلغ حوالي 5 ميكروفولت ، على الرغم من أن إيقاع ألفا في الخلفية يمكن أن يكون بسعة 20 بسهولة. يبدو أن مثل هذه الإشارة الضعيفة يصعب تصنيفها ، ولكن في الواقع ، يكون الأمر بسيطًا جدًا إذا أجريت التجربة بشكل صحيح و جيد لتسجيل EEG. تتركز معظم الأبحاث الأكاديمية الآن في مجال اختراع مصنفات جديدة ، بما في ذلك استخدام الشبكات العصبية ، ولكن يمكن بالفعل تحقيق مستوى جيد إلى حد ما باستخدام أبسط المصنفات الخطية من scikit-Learn. على سبيل المثال ، مجموعة بيانات جيدة مع P300 ورمز هنا .

تبدو الحواسب العصبية - تقنية متطورة ، وكأنها سحر ، خاصة بالنسبة لشخص غير مستعد. ومع ذلك ، في الواقع هذه هي الطريقة التي توجد بها العديد من الصعوبات غير الواضحة. السر هنا ، كما هو الحال مع أي تقنية ، هو مراعاة جميع القيود والعثور على مجالات تطبيقها التي لا تتداخل فيها هذه القيود مع العمل.