Elektryczna aktywność mózgu Interfejsy mózg komputer/ biofeedback
BCI Brain Computer Interface zasada działania Użytkownik EEG, ERP, EOG, EMG, ECoG, fmri, PET, aktywność poj. neuronów Inwazyjne i nieinwazyjne techniki umieszczania sensorów Sprzężenie zwrotne System pomiarowy Przetwarzanie wstępne Ekstrakcja cech Klasyfikacja Wyjście sterujące
Interfejsy wykorzystujące SSVP (potencjały wzrokowe stanu ustalonego) SSVEP rejestracja i analiza sygnału EEG podczas prezentacji bodźców świetlnych o określonej częstotliwości Modulowanie jasności lub barwy wyświetlanych obiektów sygnałem okresowym o stałej częstotliwości indukuje powstawanie w korze wzrokowej sygnałów SSVEP (ang. Steady-State Visual Evoked Potentials), które można traktować jako odpowiedź kory wzrokowej w stanie ustalonym na sygnał okresowy (stąd ich nazwa). Odpowiedź ta jest również sygnałem okresowym, o częstotliwości podstawowej takiej samej jak częstotliwość sygnału stymulującego, mogącym zawierać również wyższe harmoniczne.
Potencjał P300 zastosowanie w BCI Potencjał wywołany zdarzeniem (Event-related potentials ERP) aktywność elektryczna mózgu wywołana bodźcem lub zdarzeniem - potencjały wzrokowe, słuchowe, czuciowe i ruchowe. Wczesne potencjały wywołane zwykle nie zależą bezpośrednio od rodzaju bodźca, lub w dużo mniejszym stopniu od czynników psychologicznych. Składowe wewnętrzne zaczynającą się > 100ms. Składowe P100 i N100 są zależne od uwagi, składowa P300 od kontekstu, N400 od oczekiwania semantycznego. brain.fuw.edu.pl
Potencjał P300 zastosowanie w BCI P3a jest całkowicie niezależny od modalności bodźca. Powstaje po rozpoznaniu bodźca wyróżnionego. Uważa się, że odzwierciedla on reakcję badanego na nowość. Załamek P3b, inaczej P3 lub P300 powstaje wtedy, gdy wśród serii standardowych bodźców rozpoznany zostanie bodziec wyróżniony. Załamek ten występuje także po bodźcu ważnym (task-relevant) wymagającym podjęcia decyzji, po bodźcu nietypowym, lub wobec braku oczekiwanego bodźca. Detekcja sygnałów ERP (event related potentials) polega na wyznaczeniu współczynnika korelacji wzajemnej mierzonego sygnału EEG i przygotowanego wcześniej wzorca ERP. Wyznaczony współczynnik jest porównywany z wartością progową, ustaloną w procesie tworzenia wzorca podczas treningu (jest on różny u różnych osób). Umożliwia to określenie obiektu, na którym skupiał uwagę użytkownik i który spowodował pojawienie się sygnału ERP, co z kolei umożliwia wybranie odpowiedniego polecenia.
Potencjały mózgowe związane z wyobrażeniem ruchu zastosowanie w BCI Potencjał gotowości odzwierciedla zamiar wykonania ruchu - widoczny na ok. 400 ms przed ruchem. Kornhuber i Deecke (1965) odkryli już w latach 60., że dowolny ruch kończyną poprzedza powolnie narastająca ujemna fala, która została nazwana potencjałem gotowości (BP) (niem. Bereitschaftspotential, BP,, pre-motor potential lub readiness potential RP). Pojawia się ona symetrycznie po obu stronach głowy nad dużym obszarem mózgu, niezależnie od strony, po której znajduje się ręka wykonująca ruch, przy czym maksimum tej fali przypada na odprowadzenia C3, C4. Libet et al., Brain, 1983 świadomość, że chce się ruszyć palcem początek BP
pola czuciowe KORA MÓZGOWA pierwszorzędowa kora czuciowa - czucie somestetyczne (skórne) (pola 3, 1, 2) zakręt zaśrodkowy płata ciemieniowego pierwszorzędowa kora wzrokowa (pole 17) bruzda ostrogowa płata potylicznego oraz drugo- i trzeciorzędowa kora wzrokowa (pola 18 i 19) pierwszorzędowa kora słuchowa (pole 41 i 42) zakręt skroniowy górny pola ruchowe pierwszorzędowa kora ruchowa (pole 4) zakręt przedśrodkowy płata czołowego; odpowiada za ruchy dowolne, zawiaduje ruchem poszczególnych mięśni kora przedruchowa (dodatkowa kora ruchowa) (pole 6) związana z układem pozapiramidowym, odpowiada za ruchy mimowolne, zawiaduje ruchem grup mięśni; przygotowuje korę ruchową do wykonania złożonych ruchów, odgrywa rolę w planowaniu sekwencji ruchów
Zlateralizowany Potencjał Gotowości (lateralized readiness potential, LPR), Początkowa symetria aktywności z czasem zostaje zachwiana, zmierzając do większej amplitudy fali po stronie kontralateralnej do ręki wykonującej ruch. Zaobserwowana asymetria przebiegu RP nasunęła myśl o wprowadzeniu zlateralizowanego potencjału gotowości (LPR), czyli określenia różnicy potencjałów między kontra- i ipsilateralną stroną głowy. LRP stanowi indeks czasowy ostatniego etapu korowego przygotowania reakcji ruchowej. Uzyskiwanie zlateralizowanego potencjału gotowości. Badany siedzi przed monitorem, na którym wyświetlane są bodźce wymagające reakcji lewą lub prawą ręką. Zapisy EEG z poszczególnych reakcji są uśredniane osobno dla próbek, w których badany miał odpowiadać prawą ręką i lewą ręką. Następnie odejmuje się od zapisu uzyskanego dla elektrody, umieszczonej nad korą ruchową po stronie kontralateralej do ręki mającej wykonać odpowiedź, zapis dla elektrody po stronie ipsilateralnej.
Desynchronizacja i synchronizacja EEG związana z bodźcem (ERD/ERS) Jest to spadek (desynchronizacja, ERD) lub wzrost (synchronizacja, ERS) mocy w określonym paśmie częstości, występujący w okolicy czasowej zdarzenia, mierzony jako % zmiana w stosunku do odcinka sygnału czynności mózgu nie związanej z bodźcem. Tradycyjnie ujemne wartości nazywane są ERD, a dodatnie ERS. Analiza sygnału z C3 na korze czuciowo-ruchowej ręki) podczas krótkotrwałego podnoszenia prawego palca. Widoczna długotrwała desynchronizacja rytmu mu (10-12 Hz) oraz synchronizacja rytmu beta (14-18 Hz) po ruchu. Dodatkowo, występuje synchronizacja w paśmie gamma (36-40 Hz) na krótko przed ruchem. ERD w paśmie alfa Spadek mocy w paśmie alfa w danej okolicy kory mózgowej oznacza aktywację znajdujących się tam neuronów i ich wyjście ze stanu spoczynkowego. Spadek mocy w paśmie alfa często poprzedza zaangażowanie danego fragmentu kory w zamierzone działanie (np. ERD alfa w korze ruchowej ręki, zaczyna się już na 1-2 s przed wykonaniem zamierzonego ruchu tą ręką. Rytm mu (μ): Rytm o częstości w paśmie alfa rejestrowany w okolicach kory motorycznej
Desynchronizacja i synchronizacja EEG związana z bodźcem (ERD/ERS) Jest to spadek (desynchronizacja, ERD) lub wzrost (synchronizacja, ERS) mocy w określonym paśmie częstości, występujący w okolicy czasowej zdarzenia, mierzony jako procentowa zmiana w stosunku do odcinka sygnału odzwierciedlającego czynność mózgu nie związaną z bodźcem. Tradycyjnie ujemne wartości nazywane są ERD, a dodatnie ERS. Analiza sygnału z elektrody C3 na korze czuciowo-ruchowej ręki) podczas krótkotrwałego podnoszenia prawego palca. Widoczna długotrwała desynchronizacja rytmu mu (10-12 Hz) oraz synchronizacja rytmu beta (14-18 Hz) po ruchu. Dodatkowo, występuje synchronizacja w paśmie gamma (36-40 Hz) na krótko przed rozpoczęciem ruchu. Odrzut ERS w paśmie beta Efekt ten polega na przejściowym wzroście mocy powyżej poziomu z okresu referencyjnego, następujący po zakończeniu działania, któremu towarzyszył ERD w paśmie beta.
Desynchronizacja i synchronizacja EEG związana z bodźcem (ERD/ERS) Analiza sygnału z elektrody C3 na korze czuciowo-ruchowej ręki) podczas krótkotrwałego podnoszenia prawego palca. Widoczna długotrwała desynchronizacja rytmu mu (10-12 Hz) oraz synchronizacja rytmu beta (14-18 Hz) po ruchu. Dodatkowo, występuje synchronizacja w paśmie gamma (36-40 Hz) na krótko przed rozpoczęciem ruchu. ERS w paśmie gamma Efekt ten polegający na zwiększeniu mocy w paśmie gamma powyżej poziomu z okresu referencyjnego. Efekt ten obserwowany jest w niektórych eksperymentach EEG i w wielu eksperymentach z wykorzystaniem ECoG (elektrod umieszczonych bezpośrednio na korze) w trakcie gdy w danym fragmencie kory zachodzi przetwarzanie informacji. W EEG, gamma ERS zazwyczaj występuje w niskim paśmie około 40 Hz, natomiast w ECoG widoczne jest szerokopasmowe ERS gamma nawet w paśmie 40-120 Hz.
Wyobrażenie ruchu - (ERD/ERS) Potencjały mózgowe związane z wyobrażeniem ruchu zastosowanie w BCI Z okolic ruchowych kory mózgowe można zarejestrować elektryczny ślad intencji ruchu: zmianę w sygnale EEG w danym paśmie częstotliwości przepowiadający ruch danej kończyny.
Wyobrażenie ruchu: - Ja ruszam ręką - On rusza ręką - W obu przypadkach u osoby wyobrażającej sobie ruch aktywowane są te same struktury mózgowe: pola motoryczne (kora przedmotoryczna, motoryczna drugorzędowa, ciemieniowa), jądra podstawy mózgu, móżdżek - Hamowanie tak wyobrażonego ruchu następuje na poziomie pnia mózgu, móżdżku lub rdzenia kręgowego - Możliwe też, że aktywacja ośrodków korowych jest podprogowa, czyli niewystarczająca dla pobudzenia motoneuronów - Oba te mechanizmy mogą współistnieć
Multielektrodowe wszczepy korowe New York Times, 2008
J. Gomez-Gil et al., Sensors, 2011 BCI oparte o EMG sterowanie pojazdami
Biofeedback, czyli biologiczne sprzężenie zwrotne Biofeedback to trening kontroli samoregulującego się systemu za pomocą biofizjologicznego sprzężenia zwrotnego. System akwizycji mierzy wybrany parametr fizjologiczny i na bieżąco prezentuje jego zmiany. W ciągu kilku sesji treningowych pacjent uczy się świadomie wpływać na określony parametr fizjologiczny (impedancja skóry, temperatura ciała lub częstotliwość fal mózgowych). Brak skutków ubocznych przy treningu pod okiem specjalisty oraz fakt poczucia odpowiedzialności pacjenta za wynik własnego leczenia. Chory wie, ze droga do wyzdrowienia w dużej mierze zależy od włożonego przezeń wysiłku.
Biofeedback, czyli biologiczne sprzężenie zwrotne Kiedy parametrem jest EEG, wtedy mamy do czynienia z neurofeedbackiem. Założenie: Dany typ fal jest silnie skorelowany z konkretnym stanem umysłu. Człowiek może, do pewnego stopnia, wyćwiczyć świadoma kontrole nad generacja określonych częstotliwości, a wiec wprowadzić mózg w określony tryb pracy, taki jak intensywne logiczne myslenie lub abstrakcyjne fantazjowanie w stanie głębokiego relaksu.
Biofeedback, czyli biologiczne sprzężenie zwrotne Biofeedback EMG elektromiograf (miofeedback) Mogą to być ćwiczenia ukierunkowane na wzmacnianie (torowanie) aktywności bioelektrycznej ćwiczonego mięśnia, ale również ćwiczenia hamujące aktywność mięśni antagonistycznych. Stosuje się różnej wielkości elektrody w zależności od wielkości mięśnia, które umocowuje się z pastą elektrolityczną dla poprawy przewodnictwa. Ćwiczenia trwają początkowo 10 do 15 minut, stopniowo wydłużając je do 30 45 minut. Dla osiągnięcia jak najszybszych efektów treningi mogą być wykonywane codziennie. Miofeedback znalazł zastosowanie jako forma walki z napięciem mięśni szyi powodującym bole głowy
Biofeedback, czyli biologiczne sprzężenie zwrotne Biofeedback GSR (Galvanic Skin Response) lub BSR (Basal Skin Response), czyli reakcja skórno - galwaniczna odpowiedzialny jest za mierzenie elektrycznego przewodnictwa skóry, która wykazuje tendencję zmienną, w zależności od stanu układu wegetatywnego GSR jest najbardziej czułym pomiarem ze wszystkich rodzajów biofeedbacku. W medycynie wykorzystywany jest do monitorowania przebiegu psychoterapii i hipnoterapii, do leczenia nadciśnienia, dychawicy oskrzelowej i nadmiernego pocenia się. Dla osób zdrowych polecany jest ze względu na naukę panowania nad swoimi emocjami oraz w celu poprawy koncentracji.
Biofeedback, czyli biologiczne sprzężenie zwrotne Biofeedback oddechowy Biofeedback temperaturowy Na opuszkę palca zakłada się termistor czujnik temperatury. Obrazuje on temperaturę skóry, którą, poprzez treningi, pacjent uczy się podwyższać, przekraczając temperaturę fizjologiczną. Podwyższony stan współczulny oznacza przygotowanie człowieka do walki lub ucieczki. Uaktywnia się w stanach stresowych. Powoduje m. in. zwężenie naczyń krwionośnych obwodowych, w celu zapobiegnięcia utraty ciepła.
Biofeedback HEG (HemoEncephaloGraphy) nie obrazuje fal mózgowych. Mierzy on za pomocą termometru na podczerwień temperaturę głowy lub bada przepływ krwi przez obszary mózgu za pomocą podczerwieni (tzw. podczerwień nir). Daje to bardzo dobry obraz aktywności mózgu, łącznie z obrazem utlenowania krwi mózgowej. Pacjent sterując obiegiem krwi w danej okolicy kory mózgowej, może uzyskać efekt jej stymulacji.
Biofeedback, czyli biologiczne sprzężenie zwrotne W neurofeedbacku dąży się do stymulacji fal alfa, SMR (13HZ-15Hz - rytm sensomotoryczny) i beta 1 (15Hz-19Hz) oraz wyhamowania beta 2 (20Hz-32Hz) oraz fal wolnych delta i theta. ADHD i ADD, w których wyhamowuje się fale alfa (i theta), stymulacja fal beta. Kontrowersje zbyt mało danych doświadczalnych - opcja. Częstotliwość sesji neurofeedback, to minimum raz w tygodniu, a najlepiej 3 4 razy. Czas jednej sesji waha się w granicach 5 do 45 minut. Liczba i czas sesji uzależnione są od problemu, a jej efekt od zaangażowania pacjenta. Według statystyk najszybciej reguluje się zaburzenia snu po 5 do 7 sesji, kolejno - poprawa funkcji poznawczych u osób zdrowych po 10 20 sesjach, ADD i ADHD po 40 60, lekkie dysfunkcje mózgu po 40 80, a poważne uszkodzenia po 80 300 sesjach.
ADHD i neurofeedback ADHD i ADD, w których wyhamowuje się fale alfa (i theta), stymulacja fal beta. Kontrowersje zbyt mało danych doświadczalnych. M. M. Lansbergen i wsp., J Neural Transm. 118(2): 275 284.
SITA i biofeedback System SITA: Okulary z wbudowanymi diodami świecącymi, głośniczkiem (wyjściem na słuchawki) i czujnikiem oddechu. Podczas sesji Biofeedback oddech synchronizuje pojawianie się i znikanie światła w okularach, a także cichy dźwięk brzęczyka, co z kolei stanowi bodziec zewnętrzny audiowizualny dla naszego mózgu starającego się ustabilizować oddech. Zależnie od wprawy tego typu sprzężenie prowadzi szybciej lub wolniej do stanu odprężenia sprzyjającemu zapamiętywaniu i nauce. System SITA wykorzystuje tę zależność psychologiczną i w momencie relaksu, wraz z synchronicznym dźwiękiem brzęczyka, podawane są na słuchawki nagrania audio lekcji językowych. Dokonując pomiarów EEG u osoby korzystającej z urządzenia zauważono wyraźny wzrost aktywności fal alfa obliczonej na podstawie widma FFT.