Интерфейс «мозг — компьютер»

Психофизиология в XXI в. обогатились принципиально новой методологической и технологической парадигмой. Оказалось, что человек-оператор может научиться преобразовывать свои психические усилия в специфические паттерны электроэнцефалограммы, которые после специального обучения становятся кодами управления или коммуникации с внешней средой напрямую от мозга без участия периферических нервов и мышц.

Определение и обоснование интерфейса «мозг — компьютер» (ИМК). Под ИМК подразумевается система для обмена информацией между мозгом и электронным устройством (например, компьютером). ИМК — ВС I {brain-computer interface) — это коммуникационная система, в которой сообщения или команды, посылаемые индивидуумом во внешний мир, не проходят через обычные нормальные выходные каналы мозга в виде периферийных нервов и мышц (Wolpaw, 2002). В ИМК используются либо биопотенциалы мозга, зарегистрированные с поверхности скальпа (ЭЭГ), либо с поверхности коры (электрокортикограмма), либо внутримозговые отведения. Последние два способа относятся к инвазивной системе ИМК.

Построение ИМК стало возможным благодаря, во-первых, существованию связи между пространственно-временными паттернами ЭЭГ и произвольными умственными актами человека, такими как удержание произвольного образа или функционального состояния мозга, выполнение конкретной умственной задачи, фокусирование внимания на определенном внешнем или внутреннем объекте. Вторым основанием является высокая пластичность механизмов генерации корковой электрической активности, позволяющая с помощью процедур инструментального обусловливания придавать сигнальное значение подходящим паттернам ЭЭГ и таким способом превращать их в команды для внешних исполнительных устройств разного назначения (Каплан с соавт., 2013).

При этом управляющими паттернами могут быть не только спектральные композиции фоновой ЭЭГ, но и, например, компоненты связанных с событиями потенциалов типа Р300, медленные корковые потенциалы. В этих процедурах подкреплением волевых усилий человека, замыкающим контур ИМ К, является успешность его попыток силой намерения управлять этими устройствами, например для набора текста или для управления любым внешним устройством без мышечных усилий.

Технологические варианты ИМК. Существует несколько вариантов ИМК, один из них — это ИМК, называемые независимыми, поскольку они активируются только волевым усилием пользователя. Принцип работы независимых ИМК заключается в том, что детектируемые в качестве команд для управления или коммуникации изменения ритмов ЭЭГ вызываются произвольными усилиями чело-века-оператора вне какой-либо их связи с внешней сенсорной стимуляцией. Другие возможности в кодировании намерений человека предоставляют технологии зависимых ИМК. В их основе лежит регистрация реакций ЭЭГ на внешнюю среду, организованную таким образом, чтобы в специфике ответов ЭЭГ можно было определить текущий фокус внимания человека к одному из этих объектов, например к кнопке с соответствующими обозначениями. Таким образом, кодирующими намерения человека становятся внешние объекты, а фокус внимания человека к тому или иному объекту лишь выдает его намерение.

Например, в ИМК такого типа используется известное свойство связанных событиями потенциалов, когда выходящий из ряда стимул провоцирует появление повышенной позитивности в вызванных потенциалах примерно через 300 мс после предъявления стимула. Эти РЗОО-потенциалы и служат маркерами фокуса внимания оператора зависимых ИМК к одному из многих (30—40) объектов зрительного поля. Каждый такой объект в матрице стимулов выделяется в случайном порядке подсветкой и таким образом вызывает реакции ЭЭГ. Однако только один объект будет отличаться реакцией ЭЭГ с увеличенным компонентом Р300 — тот, на котором оператор фокусирует свое внимание. Точность детектирования команд в таком ИМК достигает 95—97% при скорости выбора символов до 12—15 в минуту, но при этом оператор должен быть все время привязан к матричной стимульной среде.

В последнее время реализуется идея создания ИМК, построенных на совмещении зависимых и независимых процедур, а также с использованием наряду с ЭЭГ дополнительных физиологических показателей, таких как активность участвующих в выполнении целевого действия мышц, фиксируемой траектории взора, окулограм-мы и др.

Практическое применение ИМК. ИМ К может существенно изменить системы коммуникации. Ментальное управление экранными символами — одна из самых успешных и надежных сфер реализации технологии ИМК. В настоящее время коммуникативные технологии ИМК могут использоваться там, где не требуется достаточно большой скорости биотехнической коммуникации, например при работе с пациентами, которые лишены других естественных возможностей общения посредством мышечных действий, а также для здорового человека в системах 54/^-коммуникаций и игровых.

В будущем функция контроля и управления ИМК определит одну из самых широких областей приложений этих технологий (Каплан с соавт., 2013). Первое направление — это управление навигаторами в интернет-поиске и виртуальных средах, управление гипертекстовыми справочными системами и пространственной локализацией на картах. Второе направление — контроль отображения компьютерной информации на носимых устройствах, когда помощь рук и голосовое сопровождение затруднены. Третье направление в области ИМК-управления — это включение-выключение сервисных устройств и подвижных средств для создания большего комфорта человека в его трудовой деятельности, в быту и медицинской сфере, в частности управлении бытовой техникой, сегментами конвейера, инвалидной коляской. Наконец, четвертое направление в реализации функции ИМК-контроля состоит в управлении робототехническими системами, т.е. устройствами, способными расширить ма-нипуляторные возможности человека.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >