Что такое «оптический» нейроинтерфейс? Что такое fNIRS и чем он отличается от обычного ЭЭГ ?

Нейроинтерфейс, или интерфейс «мозг-компьютер», — это технология, позволяющая напрямую обмениваться информацией между мозгом и внешними устройствами, такими как компьютеры и протезы, обходя органы чувств.

В настоящее время есть 3 варианта реализации этой технологии: ЭЭГ, fNIRS, МРТ (фМРТ).

Мы рассмотрим только два первых варианта как самые простые в реализации и мобильные.

Начнем с ЭЭГ.

ЭЭГ-нейроинтерфейс (или Brain-Computer Interface, BCI, на основе ЭЭГ) — это система, которая позволяет мозгу человека напрямую взаимодействовать с внешним устройством без использования мышц и периферических нервов. Эта технология, которая считывает "сигналы" вашего мозга с поверхности головы, расшифровывает их и преобразует в команды для компьютера, гаджета или любого другого устройства.

Считывает она электрическую активность мозга.

В среднем оно выглядит вот так: мягкая шапка с электродами в определенных точках.

Или вот так

В виде твердой гарнитура с встроенной электроникой и системой передачей данных.

Несмотря на различие все они работают по одной и той же схеме. Она простая и не меняется уже 100 лет.

1. Регистрация сигнала

На голову человека надевается шапочка с электродами, которые регистрируют электрическую активность мозга — электроэнцефалограмму (ЭЭГ). Эта активность представляет собой крошечные колебания напряжения (микровольты), возникающие в результате работы миллионов нейронов. Бывают разные типы электродов: от сухих (быстрая установка) до гелевых (более качественный сигнал).

2. Обработка и декодирование сигнала

Сырой сигнал ЭЭГ очень слабый и "зашумленный" (помехи от мышц, глаз, сети). Сначала сигнал очищается с помощью цифровых фильтров. Затем специальные алгоритмы машинного обучения (часто на основе ИИ) анализируют паттерны активности и "угадывают", какое мысленное действие или состояние им соответствует (например, "представление движения правой рукой").

3. Выполнение команды

Результат расшифровки преобразуется в команду для внешнего устройства. Есть несколько методов работы. Каждый из этих методов обкатывается и проверяется на своей модельке моих нейроинтефейсов серии «MS» .Можно даже назвать это принципами работы всех ЭЭГ нейроинтерфейсов:

Реакция на зрительные стимулы (P300):

Пользователь смотрит на мигающие в разном ритме объекты на экране. Мозг генерирует характерный ответ на нужный мигающий объект, который и улавливает система. Очень надежный и быстрый метод. Используется для набора текста ("виртуальная клавиатура").

Воображение движения:

Пользователь мысленно представляет движение частей тела (например, сжатие правой или левой руки). Это меняет паттерн моторных ритмов в соответствующей области моторной коры. Алгоритм учится различать эти паттерны. Это основной режим MS-05

Управление через ритмы мозга :

Похоже на воображение движения, но фокус на изменении амплитуды определенных ритмов (например, мю-ритма) при подготовке к движении или самом движении.Это основной режим MS-06

Управление через психическое состояние:

Система отслеживает общий уровень концентрации, расслабления или когнитивной нагрузки и использует это для управления. Это основной режим для MS-04

Нейроинтерфейсы MS-06A, MS-05C, MS-04D

Теперь разобравшись с ЭЭГ переходим к основному - fNIRS

fNIRS (functional Near-Infrared Spectroscopy если по англ.) — это функциональная спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне. Это технология, которая измеряет активность мозга путем отслеживания изменений в кровотоке и уровне кислорода в крови.

Как и у ЭЭГ интерфейсов есть вполне понятный и конкретный алгоритм работы.

1. На голову человека надевается шапочка с источниками света (светодиодами) и детекторами. Светодиоды излучают безопасный ближний инфракрасный свет, который способен проникать через череп и ткани мозга на несколько сантиметров.

2.Когда определенный участок мозга становится активным (например, когда вы двигаете рукой или решаете математическую задачу), его нейронам требуется больше энергии. Чтобы покрыть эту потребность, к активной зоне приливает больше крови, богатой кислородом.

3. fNIRS измеряет, как свет поглощается гемоглобином в крови. Оксигенированный (насыщенный кислородом) и деоксигенированный гемоглобин поглощают свет по-разному. Детекторы улавливают свет, который прошел через ткани и вернулся обратно.

4. Анализируя изменения в уровнях оксигенированного и деоксигенированного гемоглобина, компьютер в реальном времени строит карту активности мозга. Рост оксигенированного гемоглобина в конкретной зоне — признак ее повышенной активности.

Если очень просто то вы "думаете" определенным образом (представляете движение, концентрацию и т.д.), fNIRS регистрирует связанные с этим изменения в мозговом кровотоке, а алгоритмы интефрейса декодируют этот сигнал и преобразуют его в команду.

Выглядят fNIRS интерфейсы почти всегда как шапочка с более массивными чем у ЭЭГ электродами. Или оптическими датчиками, если более верно.

Полное техническое сравнение методов ЭЭГ и fNIRS. В виде таблицы будет наглядней и понятней:

Практическое сравнение. Чтоб было и где применять:

Что мы можем увидеть? Мы можем увидеть чти технологии не являются заменой одна другой, а являются дополнением. И наибольший эффект они дадут в совместном гибридном исполнении.

Если ЭЭГ идеальна, когда нужна высокая временная точность и отслеживание очень быстрых процессов в мозге, то fNIRS предпочтительнее,когда важна точная локализация активности в коре мозга и когда пользователь будет двигаться

За этим всё. Подписываемся и всё такое

https://vk.com/exomech

https://t.me/exo_bionic