Нейро-компьютерный интерфейс

Июль 24, 2022

Главная
Информатика
Нейро-компьютерный интерфейс

Содержание

2. Определение Нейро-компьютерный интерфейс или нейроинтерфейс – это физический интерфейс приема или передачи сигналов между живыми нейронами
3. История развития (1) В 50-е годы прошлого века появился первый нейроинтерфейс. Им принято считать Stimoceiver –
4. История развития (2) в середине 1960-х гг. проводились эксперименты на обезьянах, которым имплантировали мультиэлектродные матрицы для
5. История развития (3) В 1957 г. французским ученым Djourno и Eyriès удалось при помощи одноканального электрода,
6. История развития (4) Бурный скачок ИМК-исследований пришелся на 1990– 2000-е гг. Nicolelis и Chapin сконструировали ИМК,
7. История развития (5) В начале 2000-х гг. группа под руководством Donoghue работала с обезьянами и людьми,
8. Классификация Thorsten Zander предложил следующую классификацию: Активные – пользователь инициирует команду безусловно Реактивные – пользователь инициирует
9. Активный нейроинтерфейс Активный интерфейс использует изменения активности мозга, которая непосредственно и сознательно управляется человеком. Например, человек
10. Реактивный нейроинтерфейс Реактивный интерфейс формирует управляющие команды, изучая ответ мозга на внешний сигнал, например, свет или
11. Пассивный нейроинтерфейс Пассивный интерфейс анализирует текущую активность головного мозга, которая возникает сама по себе, в процессе
12. Неинвазивные нейроинтерфейсы Запись ЭЭГ — наиболее распространенный метод, применяющийся при разработке неинвазивных ИМК. По способу активации
13. Неинвазивные (2) Помимо ЭЭГ используют магнитоэнцефалографию (МЭГ). Для регистрации слабых магнитных полей, гене- рируемых мозгом, требуется
14. Неинвазивные (3) Инфракрасное излучение проникает через кости черепа и прилегающие ткани в лобную и затылочную кору
15. Инвазивные для инвазивного нейроинтерфейса требуется операция: электроды вживляются прямо в кору мозга. Выглядят они как маленькая
16. Как же это все работает?!
17. Алгоритм работы нейроинтерфейса Этап регистрации сигнала Манипулирование данными: взаимодействие с компьютером и обратная связь. Обработка сигнала:
18. Декодирование Потенциал действия изолированных нейронов соответствует конкретным поведенческим проявлениям. К примеру, возбуждение нейронов моторной коры определяет
19. Применение нейроинтерфейсов Нейропротезы Передвижение с помощью ФЭС Управление устройствами( инвалидные кресла, экзоскелет) Коммуникация (системы набора текста)
20. Ручной нейроинтерфейс инвазивный ИМК, с помощью которого обезьяны захватывали появляющиеся в различных местах объекты при помощи
21. ФЭС ФЭС-функциональная электростимуляция- применяется если конечность не утеряна, а только обездвиживание. С помощью электродных матриц происходит
22. Экзоскелет Обезьян обучили ходить по беговой дорожке. Во время выполнения задачи регистрировали нейронную активность областей сенсомоторной
23. Виртуальная клавиатура в одном из вариантов пользователю надо представить, что он двигает рукой или ногой, чтобы
24. Список литературы Нейроинтерфейс: как и зачем, Алексей Павлов, Александр Храмов, 2019. Нейроинтерфейсы сегодня, 2018 Интерфейс мозг–компьютер:
26. Скачать презентацию

Слайд 2

Определение
Нейро-компьютерный интерфейс или нейроинтерфейс – это физический интерфейс приема или

передачи сигналов между живыми нейронами биологического организма (например, мозгом животного) с одной стороны, и электронным устройством (например, компьютером) с другой стороны.

Слайд 3

История развития (1)
В 50-е годы прошлого века появился первый нейроинтерфейс. Им

принято считать Stimoceiver – электродное устройство, которое управлялось по беспроводной сети с помощью FM-радио. Оно было изобретено испанским и американским ученым Хосе Дельгадо и испытано в мозге быка. Демонстрация возможностей нового устройства была очень эффектной – на арене для корриды. Дельгадо вышел против быка, а когда тот побежал на него, нажал кнопку на пульте управления – впервые удалось изменить направление движения животного с помощью нейроинтерфейса.

https://rostec.ru/news/neyrointerfeys-upravlyat-siloy-mysli/

Слайд 4

История развития (2)
в середине 1960-х гг. проводились эксперименты на обезьянах, которым

имплантировали мультиэлектродные матрицы для регистрации потенциалов коры и электрической стимуляции. Было показано, что сенсомоторная кора активировалась, когда обезьяны производили движения, а электростимуляция коры, наоборот, вызывала сокращение мышц.
В 1963 г. Walter провел эксперимент, в котором был реализован первый ИМК в том смысле, как мы его понимаем теперь. Пациентам по медицинским показаниям были имплантированы электроды в различные области коры мозга. Им предлагалось переключать слайды проектора, нажимая на кнопку. Обнаружив область коры, ответственную за воспроизведение этого мышечного паттерна, исследователь подключил ее напрямую к проектору: управление осуществлялось непосредственно мозгом, причем даже быстрее, чем человек успевал нажать на кнопку.

Слайд 5

История развития (3)
В 1957 г. французским ученым Djourno и Eyriès удалось

при помощи одноканального электрода, стимулировавшего слуховой нерв, вызвать звуковые ощущения у глухих.
В 1964 г. Simmons представил многоканальный вариант изобретения. В 1970-х гг. House и Urban назвали устройство, состоящее из звукопреобразователя и многоканальногоэлектрода, кохлеарным имплантатом.

https://lornii.ru/lechenie-i-diagnostika/narusheniya-slukha/kokhlearnaya-implantatsiya/voprosy-zadavaemye-patsientami-kandidatami-na-ki/

Слайд 6

История развития (4)
Бурный скачок ИМК-исследований пришелся на 1990– 2000-е гг. Nicolelis

и Chapin сконструировали ИМК, управлявший механическими конечностями. Записанную у крыс в состоянии бодрствования активность коры и базальных ганглиев передавали на робот, который доставлял животному воду.

Слайд 7

История развития (5)
В начале 2000-х гг. группа под руководством Donoghue работала

с обезьянами и людьми, в частности исследователи имплантировали мультиэлектродные матрицы в моторную кору человека, что позволяло парализованным людям управлять курсором и роботизированными манипуляторами. В опыте с участием людей им удалось добиться максимального контроля в управлении антропоморфной роботизированной рукой

Слайд 8

Классификация
Thorsten Zander предложил следующую классификацию: Активные – пользователь инициирует команду безусловно
Реактивные –

пользователь инициирует команду в ответ на воздействие системы
Пассивные – пользователь не дает команду, но система считывает и анализирует его состояние
Также нейроинтерфейсы можно классифицировать по способу получения сигнала:
Инвазивные (вживленные электроды, ECoG и другие)
Неинвазивные (EEG, NIRS и другие)

Слайд 9

Активный нейроинтерфейс
Активный интерфейс использует изменения активности мозга, которая непосредственно и сознательно управляется

человеком. Например, человек воображает, что двигает правой ногой и правой рукой. Это мысленное усилие приводит к изменениям в электрической активности мозга, на основе которых программа формирует управляющие команды, посылаемые на внешнее устройство, как в интерфейсе для печати текстов Hex-o-Spell.

Слайд 10

Реактивный нейроинтерфейс
Реактивный интерфейс формирует управляющие команды, изучая ответ мозга на внешний сигнал,

например, свет или звук. Пример реактивного интерфейса — экранная клавиатура с мигающими по очереди символами(спелеологии): мозг откликается, когда мигает тот символ, который задумал человек.

https://habr.com/ru/post/431574/

Слайд 11

Пассивный нейроинтерфейс
Пассивный интерфейс анализирует текущую активность головного мозга, которая возникает

сама по себе, в процессе жизнедеятельности человека. Такие интерфейсы могут быть полезны для создания систем мониторинга, которые следят за эмоциональным состоянием, обнаруживают снижение концентрации внимания или потерю контроля над системой.

https://habr.com/ru/post/431574/
Музей «молчания» для определения степени расслабления.

Слайд 12

Неинвазивные нейроинтерфейсы
Запись ЭЭГ — наиболее распространенный метод, применяющийся при разработке

неинвазивных ИМК. По способу активации мозга метод может быть независимым (эндогенная активация — воображение движения) и за- висимым (экзогенная активация — демонстрация движе- ния на экране).
+ простота, безопасность.
- арте- факты записи ЭЭГ, которые по ошибке могут быть приня- ты за нейронную активность и даже послужить управля- ющими сигналами; регистрация суммарной активности множества нейронов; считывание информации с поверхностных нейронов с потерей сигналов из более глубинных структур.

https://habr.com/ru/post/431574/

Слайд 13

Неинвазивные (2)
Помимо ЭЭГ используют магнитоэнцефалографию (МЭГ). Для регистрации слабых магнитных полей,

гене- рируемых мозгом, требуется очень высокая чувствитель- ность метода, которую обеспечивают сверхпроводящие квантовые магнитометры.
- регистрация МЭГ требует специальной аппаратуры, подготовленных специалистов и условий (в первую очередь, магнитного экранирования), дорого.
+ МЭГ обеспечивает лучшее временное и пространственное разрешение, чем ЭЭГ. Нет электродов, что упрощает работу с детьми.

https://en.ppt-online.org/183997

Слайд 14

Неинвазивные (3)
Инфракрасное излучение проникает через кости черепа и прилегающие ткани в лобную и затылочную

кору мозга и позволяет оценивать степень окисления гемоглобина, то есть потребление мозгом кислорода.
Отслеживание концентрации оксигемоглобина и деоксигемоглобина в мозговом кровотоке посредством ближней инфракрасной спектроскопии (БИКС) с временным разрешением 100 мс и пространственным разрешением 1 см.
Главный недостаток технологии — значительная задержка сигнала, до нескольких секунд.

Слайд 15

Инвазивные
для инвазивного нейроинтерфейса требуется операция: электроды вживляются прямо в кору

мозга. Выглядят они как маленькая пластинка, примерно пять на пять миллиметров, которая покрыта сотнями иголочек-электродов. Они регистрируют электрическую активность отдельных нервных клеток в том месте, куда внедрены.
+ датчики отличаются более сильным сигналом.
- инвазивное вмешательство сопряжено с последствиями для здоровья человека: риск воспалений, необходимость повторной имплантации из-за отмирания нейронов и эпилепсия. Поэтому такие интерфейсы используют в крайних случаях, для тяжелобольных пациентов, которым не могут помочь другие методы.

https://nplus1.ru/news/2019/07/17/neuralink

Слайд 16

Как же это все работает?!

Слайд 17

Алгоритм работы нейроинтерфейса
Этап регистрации сигнала
Манипулирование данными: взаимодействие с компьютером и обратная

связь.

Обработка сигнала: предварительная обработка, определение параметров сигнала, их классификация.

Слайд 18

Декодирование
Потенциал действия изолированных нейронов соответствует конкретным поведенческим проявлениям. К примеру,

возбуждение нейронов моторной коры определяет позицию, ускорение и угол вращения руки. Разработчики используют такие со- ответствия для декодирования нейронных сигналов. При этом повторяемость и узнаваемость нейрональных паттернов, так называемый нейротюнинг (настройка) — клю- чевой фактор декодирования. Нейроны могут быть «плохо настроены», «зашумлены», что осложняет процесс их «рас- шифровки».

Метод популяционного вектора;
Фильтр Винера;
Фильтр Калмана

Слайд 19

Применение нейроинтерфейсов
Нейропротезы
Передвижение с помощью ФЭС
Управление устройствами( инвалидные кресла, экзоскелет)
Коммуникация (системы

набора текста)
Оценка состояния человека (система, определяющая, что водитель засыпает за рулем)
Развлечения, маркетинг

Слайд 20

Ручной нейроинтерфейс
инвазивный ИМК, с помощью которого обезьяны захватывали появляющиеся в различных

местах объекты при помощи роботизированной руки. Для нейродекодирования использовался фильтр Винера.

http://brain.bio.msu.ru/papers/Kaplan_Zhigulskaya_Kirjanov_2016_Vestnik%20RGMU_Studying_ability_control_phantom_fingers_P300_BCI.pdf

Слайд 21

ФЭС
ФЭС-функциональная электростимуляция- применяется если конечность не утеряна, а только обездвиживание. С

помощью электродных матриц происходит электрическая стимуляция мышц набором импульсов, имитирующих сигналы нервной системы. Мышцы активируются под воздействием стимуляции, и конечности приводятся в движение. Для поверхностной стимуляции мультиэлектродная матрица накладывается на кожу пациента. Такую контактную матрицу можно вшивать в одежду (перчатки, штаны и т. д.)

Слайд 22

Экзоскелет
Обезьян обучили ходить по беговой дорожке. Во время выполнения задачи регистрировали

нейронную активность областей сенсомоторной коры, отвечающих за нижние конечности, и записывали на видео движения ног обезьяны.
Niclolelis и его коллеги основали проект Walk Again Project —целью которого является разработка экзоскелета, приводимого в движение корой головного мозга. Nicolelis продемонстрировал экзоскелет, управляемый на основе ЭЭГ, на открытии чемпионата мира по футболу в 2014 г.

http://brain.bio.msu.ru/papers/Kaplan_Zhigulskaya_Kirjanov_2016_Vestnik%20RGMU_Studying_ability_control_phantom_fingers_P300_BCI.pdf

Слайд 23

Виртуальная клавиатура
в одном из вариантов пользователю надо представить, что он двигает рукой или

ногой, чтобы выбрать ту или иную букву. Весь алфавит делится изначально пополам в зависимости от типа воображаемого движения, потом снова пополам и так до выбора конкретного символа. Скорость написания сообщений в этом случае — от 0,5 до 0,85 символа в минуту.
В другой системе символы отображаются на экране в виде матрицы. Здесь задача пользователя концентрироваться на выбранном символе. Строки и столбцы символов на экране по очереди мигают, что приводит к генерации потенциала при совпадении с ожидаемым символом. Когда на экране мигает нужная строка, ЭЭГ изменяется, когда мигает нужный столбец — изменяется второй раз. Скорость набора — два символа в минуту, метод не требует длительных тренировок.

https://habr.com/ru/post/431574/

Слайд 24

Список литературы
Нейроинтерфейс: как и зачем, Алексей Павлов, Александр Храмов, 2019.
Нейроинтерфейсы сегодня, 2018
Интерфейс

мозг–компьютер: будущее в настоящемО. С. Левицкая , М. А. Лебедев Вестник РГМУ 2, 2016.
НЕЙРОИНТЕРФЕЙС: ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ И РЕАЛИЗАЦИИА.В. СИДОРЕНКО, 2016.
!рекомендую ознакомиться с 3 ссылкой всем тем, кто хочет знать больше о системе декодирования.

Нейро-компьютерный интерфейс

Содержание

Определение Нейро-компьютерный интерфейс или нейроинтерфейс – это физический интерфейс приема или

История развития (1)В 50-е годы прошлого века появился первый нейроинтерфейс. Им

История развития (2)в середине 1960-х гг. проводились эксперименты на обезьянах, которым

История развития (3)В 1957 г. французским ученым Djourno и Eyriès удалось

История развития (4)Бурный скачок ИМК-исследований пришелся на 1990– 2000-е гг. Nicolelis

История развития (5)В начале 2000-х гг. группа под руководством Donoghue работала

Классификация Thorsten Zander предложил следующую классификацию: Активные – пользователь инициирует команду безусловноРеактивные –

Активный нейроинтерфейсАктивный интерфейс использует изменения активности мозга, которая непосредственно и сознательно управляется

Реактивный нейроинтерфейсРеактивный интерфейс формирует управляющие команды, изучая ответ мозга на внешний сигнал,

Пассивный нейроинтерфейс Пассивный интерфейс анализирует текущую активность головного мозга, которая возникает

Неинвазивные нейроинтерфейсы Запись ЭЭГ — наиболее распространенный метод, применяющийся при разработке

Неинвазивные (2)Помимо ЭЭГ используют магнитоэнцефалографию (МЭГ). Для регистрации слабых магнитных полей,

Неинвазивные (3)Инфракрасное излучение проникает через кости черепа и прилегающие ткани в лобную и затылочную

Инвазивные для инвазивного нейроинтерфейса требуется операция: электроды вживляются прямо в кору

Как же это все работает?!

Алгоритм работы нейроинтерфейсаЭтап регистрации сигналаМанипулирование данными: взаимодействие с компьютером и обратная

Декодирование Потенциал действия изолированных нейронов соответствует конкретным поведенческим проявлениям. К примеру,

Применение нейроинтерфейсов НейропротезыПередвижение с помощью ФЭСУправление устройствами( инвалидные кресла, экзоскелет)Коммуникация (системы

Ручной нейроинтерфейсинвазивный ИМК, с помощью которого обезьяны захватывали появляющиеся в различных

ФЭСФЭС-функциональная электростимуляция- применяется если конечность не утеряна, а только обездвиживание. С

ЭкзоскелетОбезьян обучили ходить по беговой дорожке. Во время выполнения задачи регистрировали

Виртуальная клавиатура в одном из вариантов пользователю надо представить, что он двигает рукой или

Список литературы Нейроинтерфейс: как и зачем, Алексей Павлов, Александр Храмов, 2019. Нейроинтерфейсы сегодня, 2018Интерфейс

Похожие презентации

Определение
Нейро-компьютерный интерфейс или нейроинтерфейс – это физический интерфейс приема или

История развития (1)
В 50-е годы прошлого века появился первый нейроинтерфейс. Им

История развития (2)
в середине 1960-х гг. проводились эксперименты на обезьянах, которым

История развития (3)
В 1957 г. французским ученым Djourno и Eyriès удалось

История развития (4)
Бурный скачок ИМК-исследований пришелся на 1990– 2000-е гг. Nicolelis

История развития (5)
В начале 2000-х гг. группа под руководством Donoghue работала

Классификация
Thorsten Zander предложил следующую классификацию: Активные – пользователь инициирует команду безусловно
Реактивные –

Активный нейроинтерфейс
Активный интерфейс использует изменения активности мозга, которая непосредственно и сознательно управляется

Реактивный нейроинтерфейс
Реактивный интерфейс формирует управляющие команды, изучая ответ мозга на внешний сигнал,

Пассивный нейроинтерфейс
Пассивный интерфейс анализирует текущую активность головного мозга, которая возникает

Неинвазивные нейроинтерфейсы
Запись ЭЭГ — наиболее распространенный метод, применяющийся при разработке

Неинвазивные (2)
Помимо ЭЭГ используют магнитоэнцефалографию (МЭГ). Для регистрации слабых магнитных полей,

Неинвазивные (3)
Инфракрасное излучение проникает через кости черепа и прилегающие ткани в лобную и затылочную

Инвазивные
для инвазивного нейроинтерфейса требуется операция: электроды вживляются прямо в кору

Алгоритм работы нейроинтерфейса
Этап регистрации сигнала
Манипулирование данными: взаимодействие с компьютером и обратная

Декодирование
Потенциал действия изолированных нейронов соответствует конкретным поведенческим проявлениям. К примеру,

Применение нейроинтерфейсов
Нейропротезы
Передвижение с помощью ФЭС
Управление устройствами( инвалидные кресла, экзоскелет)
Коммуникация (системы

Ручной нейроинтерфейс
инвазивный ИМК, с помощью которого обезьяны захватывали появляющиеся в различных

ФЭС
ФЭС-функциональная электростимуляция- применяется если конечность не утеряна, а только обездвиживание. С

Экзоскелет
Обезьян обучили ходить по беговой дорожке. Во время выполнения задачи регистрировали

Виртуальная клавиатура
в одном из вариантов пользователю надо представить, что он двигает рукой или

Список литературы
Нейроинтерфейс: как и зачем, Алексей Павлов, Александр Храмов, 2019.
Нейроинтерфейсы сегодня, 2018
Интерфейс