Нейроинтерфейсы: обзор технологий и современные решения

DOI:

Нейроинтерфейс, также называемый «нейрокомпьютерным интерфейсом» (сокращенно НКИ) либо «интерфейсом 'мозг-компьютер'» представляет из себя технологию, обеспечивающую прямое взаимодействие между мозгом человека и электронным устройством, чаще ЭВМ либо роботом [1]. В основе данной технологии чаще лежит метод электроэнцефалографии, заключающийся в считывании биоэлектрической активности головного мозга с поверхности кожи головы при помощи электродов. Этот метод позволяет регистрировать малейшие изменения активности мозга с точностью, недоступной иным методам исследования, и потому активно применяется в медицине. Однако, помимо этого, данный метод также позволяет с определенной точностью отслеживать мыслительную деятельность человека. Принцип действия состоит в считывании активности головного мозга, преобразование паттернов этой активности в соответствующие им команды, позволяющие управлять устройствами, к которым подключен нейроинтерфейс. Таким образом, к примеру, управляются нейропротезы - намерение согнуть руку, поступающее от мозга, улавливается нейроинтерфейсом, преобразуется в соответствующую команду, после чего передается в микроконтроллер протеза, который, преобразуя эту команду в последовательность конкретных действий, сгибает искусственную руку [2].

В данный момент нейроинтерфейсы широко используются в дистанционном управлении роботами и иной сложной техникой. Подробнее их использование в данной области раскрыто в работах [3, 4]. Помимо этого, существуют решения на их основе в области медицины [5-8], например, для лечения синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ) [9]. Кроме того, в последнее время расширяется сфера использования НКИ в индустрии развлечений, чаще - совместно с технологиями виртуальной реальности.

В разработке находятся методы обратной связи - технологии, позволяющие преобразовывать внешние команды в электрический сигнал, передающийся по нервной системе - так, уже представлен имплант, позволяющий передавать электрические сигналы к мышцам ног, позволяя людям с поврежденным спинным мозгом вновь ходить, управляя своими действиями с помощью планшета.

Вполне вероятно, что в дальнейшем, с развитием этих технологий, нейроинтерфейсы прочно войдут в нашу жизнь, возможно даже, заняв в нашей жизни ту нишу, которую сейчас занимают смартфоны [10].

Общая схема работы интерфейса такова - электроды считывают сигналы мозга, которые в дальнейшем обрабатываются микроконтроллером НКИ - производится очистка от шумов и артефактов, которые могут быть вызваны как внешними факторами, так и самим устройством, после чего производится обработка полученного сигнала в целях установления, какой команде он соответствует - для этой задачи зачастую используют искусственные нейронные сети, которые обладают хорошими способностями к обработке данных и адаптации.

Обработка обычно проводится уже на внешнем устройстве согласно заранее написанной программе, хотя некоторые - узкоспециализированные, берут эту функцию на себя. После чего выявленная команда подается на управляемое устройство, где и обрабатывается в соответствии с его спецификой. Принципы работы НКИ описаны с опорой на работу [10].

Интерфейс Мозг-Компьютер

Рисунок 1. Принцип работы НКИ.

Figure 1. Principles of BCI working.

В связи с частым использованием в обработке сигнала нейросетей и иных обучаемых алгоритмов, а также с тем фактом, что у разных людей активность мозга в той или иной степени различается, использование подобных устройств зачастую требует длительных тренировок, продолжительность которых зависит от количества воспринимаемых НКИ команд. В процессе этих тренировок программа нейроинтерфейса учится наиболее правильно интерпретировать команды конкретного пользователя.

ХОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Среди современных нейроинтерфейсов, несмотря на относительно недавнее начало активной работы в этой области, уже имеется немалый перечень технических решений, активно задействующих эту технологию.

Из наиболее многообещающих стоит выделить продукт компании Neuralink. НКИ инвазивного типа, находящийся на данный момент в стадии тестирования и недоступный широкой общественности. По заявлениям разработчиков, в первую очередь данный продукт будет использоваться в медицине, однако также позволит усилием мысли управлять техническими устройствами, в первую очередь, смартфонами и компьютерами.

Одним из наиболее многообещающих и доступных на данный момент вариантов являются гарнитуры Emotiv, в частности, серия Epoc, среди основных достоинств которой - большое количество электродов, позволяющих регистрировать большее количество данных, открытый SDK, позволяющий создавать собственные приложения, и возможность беспроводного подключения через Bluetooth. Более подробно он представлен в работе [2].

Рисунок 2. Схема расположения электродов Emotiv Epoc.

Figure 2. Electrodes location in Emotiv Epoc.

Рисунок 3. Устройство одной из плат OpenBCI для разработки НКИ.

Figure 3. The device of one of the OpenBCI boards for the development of BCI.

Также стоит выделить OpenBCI – фонд, занимающийся разработкой открытого программного и аппаратного обеспечения, относящегося к нейроинтерфейсам. Их продукция, скорее, детали для самостоятельной сборки и программирования НКИ, поэтому конкретные характеристики выделить трудно. Все зависит от разработчика, проектирующего конкретную гарнитуру.

Помимо представленных и подобных им решений существуют также более узкоспециализированные упрощенные продукты на основе НКИ, в основном - в индустрии развлечений. Хорошим примером может являться Mindball – настольная игра, в которой два участника при помощи нейроинтерфейса, управляющего магнитами под игровым столом пытаются загнать небольшой мяч в ворота противника.

Рисунок 4. Mindball.

Figure 4. Mindball.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В ходе проведенной исследовательской работы была проанализирована основная информация и характеристики наиболее универсальных НКИ, созданных за последнее время. Выделены были такие параметры, как количество датчиков, наличие открытых инструментов разработчика и др. Данные представлены в таблице 1. Часть данных представлена также в работе [4].

Таблица 1. Cравнение нейроинтерфейсов.

Table 1. Comparison of neural interfaces.

Название	Производитель	Цена (руб.)	Дат-
			чики	Отслеживание	ПО	Особенности	Bluetooth
Neural Impulse Actuator	OCZ Technology	6000	3	Два вида мозговых волн (альфа и бета), сокращения лицевых мышц и движения глаз.	Да	Предназначен в первую очередь для компьютерных игр. Довольно дешев. Не производится в	Нет
Emotiv Insight	Emotiv Systems	18500	5	Пять видов ЭЭГ волн.	Да	настоящее время. Компактный вариант, удобное ПО для разработки приложений.	Да
Emotiv EPOC	Emotiv Systems	55000	14	Пять видов ЭЭГ волн, 6 метрик.	Да	Компактный вариант, есть специальный графический пакет для анализа и обработки данных.	Да
OpenBCI	OpenBCI Project	96500	8	Различное количество ЭЭГ волн, также ЭКГ и ЭМГ8.	Да	Открытый исходный код.	Да

ВЫВОДЫ

В результате проведенной работы был сделан вывод, что технология нейрокомпьютерного интерфейса имеет значительный потенциал для дальнейшего развития и применения во многих сферах жизни, а именно: в медицине, дистанционном управлении техникой и иных областях. В частности, в медицинской отрасли данная технология может использоваться для постоянного мониторинга мозговой активности в диагностических целях. Дистанционное же управление техникой при помощи НКИ поможет снизить риск травм при работе в опасных средах. Помимо этого, данная технология может упростить взаимодействие с электронными устройствами, так как при работе с помощью беспроводного НКИ отсутствует необходимость в физическом контакте с прибором. Наиболее перспективной реализацией на данный момент является Emotiv Epoc, обладающая большим количеством каналов, универсальностью и открытостью для разработчиков. Не исключено также, что в дальнейшем появятся не менее, а, возможно, и более функциональные решения.

В дальнейшем планируется сосредоточить усилия на изучении самого процесса обработки сигналов мозга. В частности, предполагается обратить внимание на применение для решения данной задачи искусственных нейронных сетей и иных алгоритмов машинного обучения.