En teknisk introduktion til neurovidenskab

Nogle fakta, som jeg skulle ønske, at jeg vidste, da jeg begyndte at hacke EEG

Jeg ved, at jeg har sagt dette før, men det er værd at sige igen: vi lever i fantastiske tider. Vi kan nu gennemføre neurovidenskabelige eksperimenter i vores egne hjem ved hjælp af udstyr, der indtil for nylig var meget dyrt og kun tilgængeligt i forskningslaboratorier / universiteter. Nu hvor udstyret er blevet mere overkommelig, undersøger flere mennesker, hvad de kan gøre med teknologien, og heldige for os, er der et verdensomspændende samfund af forskere, der er tilgængelige online.

I løbet af de sidste par måneder har jeg fundet mig ind i den fantastiske verden af ​​neurovidenskab og har lært meget - selvom jeg i denne proces undertiden blev forvirret af alle de tekniske og domænespecifikke udtryk, da jeg forsøgte at læse artikler eller tjek eksempler.

I dette indlæg vil jeg forsøge at sammenfatte alle mine erfaringer fra det forløbne år. Mens jeg præsenterer disse ting fra mit perspektiv som en webudvikler, er jeg temmelig sikker på, at denne introduktion vil være nyttig for alle, der er interesseret i at komme ind i emnet.

Jeg vil gerne rette en særlig tak til Alexandre Barachant og Hubert Banville fra NeuroTechX-samfundet. De brugte adskillige timer på at hjælpe mig med at finde min vej som nybegynder i neurovidenskabens verden, og meget af den information, der blev præsenteret her, blev først præsenteret for mig af dem.

BCI? EEG?

Når jeg kom til neurovidenskab fra en computerbaggrund, var to af de første udtryk, jeg stød på, “BCI” og “EEG.” BCI står for Brain Computer Interface (eller BMI for Brain Machine Interface). En BCI er i det væsentlige enhver metode, der direkte overfører information mellem en hjerne og en ekstern enhed, normalt et videnskabeligt instrument eller, til vores formål, en computer.

En BCI-metode består af tre dele:

  • En hjernesensorapparat (EEG, fNIRS, ECoG, fMRI osv.)
  • En afkodningsalgoritme, der oversætter hjerneaktiviteten målt med sensoren til en kommando
  • Og en maskine (eller en computer), der udfører kommandoen

EEG er måske den mest almindelige hjernefølelsesmodalitet inden for BCI. EEG står for Elektroencefalografi. For at være ærlig, husker jeg aldrig dette ord - hvad der er vigtigt at huske, er, at EEG registrerer den elektriske aktivitet omkring din hovedbund ved hjælp af elektroder for at måle hjerneaktivitet. Dette er en meget grov, unøjagtig måde at måle hjerneaktiviteten - da de elektromagnetiske bølger dæmpes af kraniet. Der er dog stadig meget interessante ting, vi kan gøre med EEG, og det faktum, at det er ikke-invasivt - i modsætning til MR, kræver ikke et specifikt miljø, hvor man kan læse - betyder det, at det er en fremragende kandidat til at tulle med derhjemme.

Der er flere andre bio-sensing teknikker, der bruger en lignende metode til at måle din krop - EKG til måling af hjerteaktivitet (se nedenfor), EMG til måling af muskelaktivitet og EOG til måling af øjenbevægelser (vi vil tale om det senere). Alt det ovenstående fungerer ved at måle elektrisk spændingsforskel mellem to eller flere punkter i din krop.

Ud over EEG er der en række andre BCI'er, såsom fMRI, men da du ikke er i stand til at gøre fMRI og mange af de andre BCI'er derhjemme (endnu!), Vil vi fokusere på EEG.

Først og fremmest: Nogle ting at vide om EEG

Da jeg først lærte om EEG, opdagede jeg, at jeg havde et par ideer om EEG, der ikke stemmer overens med virkeligheden ... så før vi dykker ned i detaljerne, vil jeg gerne tage et minut få nogle få ting lige.

Du kan ikke rigtig "læse hjernen" i EEG-grafen. Da jeg oprindeligt startede med EEG, forventede jeg, at jeg kunne lære at ”læse sind” gennem EEG-graferne og udvikle en form for evne til at fortælle, hvad hver spike betyder i sin kontekst. Senere opdagede jeg, at de ting, du kan se i grafen, primært er støj, og ting, der ikke er "EEG" i sig selv, såsom øjenblink, kæbehug.

Med EEG vil du kun være i stand til at se meget stærk hjerneaktivitet, såsom et epileptisk anfald (som jeg virkelig håber, at du aldrig behøver at se). Den generelle tommelfingerregel er, "Hvis du kan se det med dine øjne uden hjælp, er det sandsynligvis ikke EEG."

For noget mere end det, skal du behandle disse data, og i nogle tilfælde køre adskillige iterationer af eksperimentet, indtil du faktisk kan få det signal, du leder efter. Så husk: en god EEG-graf er en ren.

Du kan ikke læse tanker. Du kan ikke få meget specifikke oplysninger ved hjælp af EEG, f.eks. Hvad patienten ser eller hører. De eneste oplysninger, du får i summen af ​​aktiviteten for mange neuroner i din hjerne - du vil kun nogensinde kunne identificere noget, hvis det virkelig er drastisk og involverer en masse neuroner, der skyder synkroniseret.

En almindelig analogi er at stå uden for et stort sportsstadion - du vil ikke være i stand til at høre specifikke samtaler mellem folk inde i stadionet, men du vil være i stand til at skelne et tomt stadion kontra et meget fuldt stadion, og du vil også være i stand til at opdage, hvornår et mål scores - som du vil høre pludselig høj bifald og jubel fra publikum synkroniseret.

EEG fungerer ikke for alle. Nogle mennesker har det, de kalder "BCI-analfabetisme", dvs. Vi kan ikke hente noget signal for specifikke hjernemønstre på nogle emner. Dette er faktisk temmelig almindeligt - ca. 20% af befolkningen har en slags BCI-analfabetisme, og der er forskning på, hvordan man kan løse det.

EEG er KUN-LÆS. Jeg bliver ofte spurgt, om et EEG-headset kan bruges til at sprøjte tanker eller ændre folks adfærd ved at påvirke deres hjerner. Det korte svar er nej: du kan ikke kontrollere folks sind med EEG.

Selvom hvad det er værd, tror jeg, jeg ville være en velvillig mind-controller ...

Hvad du dog kan gøre, er at give Neurofeedback, som kan bruges til at forsøge at ændre adfærd (ved hjælp af feedback loop: hjerne → EEG → fysisk handling / besked → hjerne). Neurofeedback bruges ofte til at prøve og lære en patient, hvordan man opnår bedre kontrol med deres hjerner, og bruges undertiden til at behandle tilstande som ADHD og migræne, selvom EEGs rolle i sådanne behandlinger er tvivlsom.

Hej Verden

I programmering er “Hello World” det allerførste program, som begyndere skriver på et sprog - et program, der udskriver “Hello World”. Inden for elektronik gøres dette normalt ved at blinke en LED.

Med EEG opdagede min Hello World øjneblink. Derefter byggede jeg en lille demo, hvor du kunne spille Chrome Offline T-Rex-spillet med bare dine øjne. Oprettelse af begge disse demoer, der kræver at få en mere dybdegående forståelse af, hvad EEG var, og hvordan det fungerede, og jeg har forsøgt at sammenfatte, hvad jeg har lært i nedenstående afsnit.

Fortæl mig som altid, hvis du har spørgsmål eller tanker, i kommentarerne nedenfor :-)

Spænding / potentiel forskel

Én ting, der er vigtig at bemærke, inden vi kommer i gang, er, at “spænding” og “potentialeforskel” ofte bruges om hverandre, når man diskuterer EEG og neurovidenskab. Dette skyldes, at spænding er defineret som potentialeforskellen mellem to punkter: da spænding måles relativt, skal du altid specificere to punkter, når du taler om spænding.

10–20-systemet

En af de ting, som jeg syntes at være slags skræmmende til at begynde med, var alle disse hentydninger til ting som “FP7” og “TP10.” Derefter lærte jeg, at dette bare er positioner, en del af 10-20-systemet, som forskere bruger til at notere, hvor i hovedbunden de lægger elektroderne, når de udfører tests / research med EEG.

Når du bruger kommercielt tilgængelige produkter til at udføre dine egne EEG-eksperimenter, har de for det meste allerede allerede bestemt, hvilke elektroder du skal arbejde med, så du skulle ikke være nødt til at bekymre dig for meget om 10-20-systemet selv . For eksempel er 2016-versionen af ​​Muse-enheden målrettet mod AF7, AF8 TP9 og TP10 elektroder.

10–20 Systemmarkører, med dem, der bruges af Muse-headsettet, kaldet med blåt.

Diagrammet vist ovenfor er en afbildning af hovedet, "nasionen" er næsen, derefter er siderne (A1 / A2) ørerne, og INION er bagsiden af ​​hovedet, eller mere teknisk, "den projicerende del af den occipital knogle i bunden af ​​kraniet. ”

Læsning af EEG-grafen

Hvis du nogensinde har set en EEG-graf, kan det være forvirrende ved første øjekast - der er meget, der sker. Lad os prøve at give mening om det sammen - hvert element i grafen repræsenterer det signal, der er valgt af en anden elektrode. Den vandrette akse (X-Axis) er tiden, og den lodrette (Y-akse) er den spænding, der registreres på det tidspunkt i tid mellem den relevante elektrode og referenceelektroden (husk? Spænding er den elektriske potentialeforskel mellem to punkter) .

Nedenfor kan du se en annoteret EEG-graf, optaget af Alexandre Barachant ved hjælp af en ny EEG-headset-enhed, som han i øjeblikket udvikler. Grafen blev optaget over et tidsrum på 10 sekunder ved anvendelse af 8 elektroder placeret ved FP1, FP2, P3, Pz, P4, POz, O1, O2 (se ovenfor vedrørende 10-20-systemet).

Jeg føjede flere markører til grafen, der viser funktioner som Alpha Waves (grøn markering), 4 øjenblink (lilla markør) og en Jaw Clench (cyan markør). Vi diskuterer disse ting inden for kort tid.

Hjernebølger: Alpha, Beta, Delta, Theta

Hjernebølger er neurale svingninger eller mere enkelt neurale aktiviteter, der sker med en bestemt rytme. Som andre slags bølger måler vi denne rytme med hensyn til frekvens ved hjælp af Hertz-måleenheden. Så hvis du f.eks. Har neural aktivitet med spændingen opad og derefter ned 7 gange i sekundet, ville det være en 7Hz hjernebølge.

Almindelige hjernerytmer modtager kortvarige navne til reference i forskning, såsom alfa-, beta- og theta-hjernebølger. Betabølger er for eksempel dem i området 12,5Hz – 30Hz. Du ser disse normalt, mens motivet er vågen. Gamma-bølger bruges derimod til at henvise til en hurtigere rytme, normalt over 40Hz, og nogle forskere mener, at de er forbundet med fokus, opmærksomhed og meditation. Jeg tror, ​​at dette er den videnskabelige idé bag Muse EEG Headset, som antages at blive brugt til at hjælpe meditation (blandt andet).

Delta-bølger har overraskende en meget langsommere frekvens (mellem 0,5 og 2Hz), og de er også meget stærkere: signalet går meget højere end de andre bølgetyper. De er forbundet med de dybe søvnstadier, så det er en enkel måde at måle, om et individ oplever dyb søvn. Forskning viser, at forstyrrelse af søvn under deltabølgefasen forårsagede træthed og muskelsmerter.

Endelig ser en anden slags bølger, kaldet Alpha-bølger, ud til at vises i dele af hjernen, som i øjeblikket er inaktiv. Deres frekvens er omkring 7,5Hz - 12,5Hz, og den nemmeste måde at observere dem på er at placere en EEG-elektrode bag på dit hoved ved siden af ​​din Visual Cortex og derefter lukke øjnene. De inaktive neuroner i den visuelle cortex begynder at skyde disse alfabølger synkront, og du skal være i stand til at genkende mønsteret i grafen. Dette er også en god måde at hurtigt teste din EEG-opsætning på: Hvis du ikke ser Alfa-bølgerne, når du lukker øjnene, er der bestemt galt (ja, jeg mener - du skal se dem, når du har åbnet dem igen, selvfølgelig…).

Her er et skærmbillede fra min vinkel-muse-app, der viser Alpha-bølger. Punktet markeret med den røde markør er, da jeg åbnede mine øjne, og du kan se både den potentielle forskel forårsaget af øjenæblebevægelsen (EOG - se nedenfor), og derefter ændringen i mønsteret. Det blev målt i TP9 - nær mine ører, ikke et optimalt sted at se efter Visual Cortex Alpha-bølger, men de er stærke nok, så de stadig kan ses der:

Her være Alpha Waves! Den røde pil angiver det øjeblik, da jeg åbnede mine øjne

ERP - Eventrelateret potentiale

Et hændelsesrelateret potentiale (ERP) er simpelthen en spike, som du kan måle med EEG-udstyr, der sker som svar på en stimulus. For eksempel, når du ser et ansigt, vises en negativ spændingspind, der vises cirka 170 millisekunder i EEG-grafen (den fungerer endda for dele af ansigtet, f.eks. Øjne).

Lad os gennemgå et par eksempler for at gøre det mere tydeligt:

P300

P300 er en positiv pigge, der vises omkring 300 millisekunder efter en stimulus, der vekker din interesse. For eksempel, hvis du venter på, at en ven skal hente dig, og der er mange biler, der går forbi, vil du sandsynligvis have en positiv spændingspind, når du ser en bil, der ligner din vens bil. P300 hentes bedst bag på dit hoved - omkring POz eller Pz (se 10–20-systemet ovenfor).

Lad os for eksempel se på et hjerneindtrængende spil udviklet af Alexandre Barachant under hans første post-doc, som viser P300 i aktion. Dette er det standard indtrængende spil med et twist - på hvert niveau skal du ødelægge en bestemt invader, der er markeret med en rød cirkel i begyndelsen af ​​niveauet. Du skal gøre det ved at fokusere på den indtrængende og tælle antallet af gange, det bliver fremhævet. Spillet i sig selv fremhæver forskellige delmængder af de indtrængende, i flere iterationer, og hver gang efter at have fremhævet et undersæt, ser det efter et positivt signal 300 millisekunder efter højdepunktet (det er P300!).

Derefter ser det efter en invader, der er vist i alle de forskellige undergrupper, der havde P300-signalet, og denne invader er ødelagt. Hvis du antager, at du fortsat har fokuseret på target invader, var det kun de delmængder, der fremhæver den, ville udstille P300, og så ville den blive ødelagt, og du vinder niveauet. Sådan ser det ud i handling:

Du kan læse mere om spillet her eller se på kildekoden.

En anden interessant brugssag er en P-300-baseret stavemåde, hvor brugeren kan stave ord ved at fokusere på de bogstaver, de vil skrive en ad gangen, hvor bogstaverne derefter fremhæves på lignende måde som indtrængende-spillet:

Fyren i videoen bruger et EEG-headset kaldet Emotiv. Her er en anden P300-demo, hvor du også kan se, hvordan systemet blev trænet. Det er bygget omkring Cognionics Dry EEG-systemet.

Selv om en hastighed på et ord pr. Minut (eller mindre) muligvis ikke virker imponerende, er der mennesker derude, for hvilke dette muligvis er deres eneste måde at kommunikere på (f.eks. Locked-in-syndrom, hvor foreløbig forskning viser lovende resultater for anvendelse af denne teknologi i diagnose). Brug af "smart næste ord" -forudsigelse kan også hjælpe med at fremskynde den, hvilket giver meget mere effektiv kommunikation. Måske er det derfor, Facebook også ser i denne retning.

N170, N100 og andre interessante ERP'er

N170 er en negativ spids, der vises cirka 170 millisekunder efter at have set et ansigt eller en del af ansigtet, såsom øjne.

N100 er en anden slags ERP, og som du kan gætte ved navnet, vises ca. 100 millisekunder efter en uventet stimuli, når du er inaktiv, såsom en høj støj, pludselig smerte osv. Et eksempel på en klinisk anvendelse er til auditiv systemtest, i tilfælde hvor patienter ikke kan give feedback, som når de er i koma.

SSVEP

SSVEP står for Steady State Visually Evoked Potentials. På trods af det komplicerede navn betyder det dybest set, at hvis jeg viser dig en lyskilde, der stryger med en bestemt frekvens (3,5 til 75 gange pr. Sekund, ifølge Wikipedia) i nogen tid, vil din hjerne hente denne frekvens, og du vil være i stand til at se det i hjernebølgerne.

Længden af ​​stimuli, du har brug for, for at frekvensen vises i EEG-grafen, afhænger af frekvensen, men 1 sekund skal være nok til enhver frekvens, der er større end 10Hz.

20Hz SSVEP-stimulering. Fokuser på det, og dine hjernebølger begynder at danse til rytmen

Ligesom SSVEP er der også SSAEP til lyd og SSSEP til sensorisk stimulus.

EKG, EMG, EOG via EEG

Disse tre udtryk henviser til måling af hjerteaktivitet, muskeldrift og øjenbevægelser ved at registrere elektrisk aktivitet, svarende til hvad vi gør med EEG. Faktisk kan en EEG-enhed nemt vælge alt det ovenstående!

For eksempel med Muse-enheden, hvis jeg rører ved de forreste elektroder med min højre hånd, og øreelektroderne med min venstre hånd, vil jeg se en meget klar EKG-graf, der viser hjertets elektriske aktivitet:

Tjek mine hjerteslag i denne EKG-graf, der er optaget med Muse-enheden

EKG-signaler er langt stærkere end EEG - de kan blive så høje som 1000 mikrovolt, mens den målte EEG-aktivitet er maks ved ca. 100 mikrovolt.

EMG henviser til måling af de elektriske signaler, der kommer fra aktiveringen af ​​vores muskelceller. De kan også afhentes af EEG-udstyr - det er sådan, at Muse-enheden er i stand til at registrere for eksempel kæbehæftning. Sådan ser EMG ud i en graf:

Jaw Clench EMG, hentet i T8 (ved siden af ​​højre øre). Foto af Alexandre BarachantMig, gab, som plukket op af Muse

Endelig kan EOG registrere vores øjeæblebevægelser - det er sådan, vi let kan opdage blink med EEG-headset (du kan lære mere i mit indhold om reaktive hjernebølger).

Enheder

Der er flere forbrugerenheder, der lader dig komme i gang med EEG, såsom OpenBCI, som er en open source EEG hardware + softwarepakke. Min favorit (og eneste) enhed i øjeblikket er Muse, en 249 $ EEG-enhed med fire elektroder (og muligheden for at tilslutte en ekstern en). Emotiv er en anden leverandør, der producerer en enhed med enten 5 eller 14 kanaler, så selvom de er en noget dyrere mulighed (du kan ikke få adgang til råsignalet, medmindre du betaler for deres meget dyre SDK), kan de være mere nyttige til forskning .

Hvordan kan EEG forbedre vores liv?

EEG kan gøre en reel forskel for mennesker med begrænset mobilitet og give en ny grænseflade for dem at kommunikere og interagere med omverdenen (som eksemplerne, der bruger P300 ERP ovenfor).

Jeg blev kontaktet af nogle forskere fra Ben-Gurion University i Israel, der forsøger at opbygge en browserudvidelse, der gør det muligt at surfe på nettet med et EEG-headset. Dette ville være en stor fordel for folk, der ikke er i stand til at bruge et tastatur. De eksperimenterer med både at bruge Eye Movements og P300 (nævnt ovenfor) til dette formål. Et andet interessant projekt, der henvendte mig lige i sidste uge for at hjælpe med programmeringen, er at udforske måder at bruge EEG til at hjælpe mennesker med ALS. Det skal dog bemærkes, at 'båndbredde' for EEG i øjeblikket er ret langsom, så direkte kontrol via EEG (f.eks. Ved hjælp af en mus eller tastatur) er muligvis ikke realistisk i øjeblikket.

Endelig fik en god ven af ​​mig for nylig diagnosen baby med hypsarrhythmia, en tilstand der har at gøre med kaotisk og uregelmæssig elektrisk aktivitet i hjernen. I dette tilfælde var hans baby heldig for at blive diagnosticeret tidligt, men i andre, mindre indlysende tilfælde, kan denne tilstand gå upåagtet hen og kan have negativ indflydelse på hjerneudviklingen, hvis den ikke behandles i tide. Han håber, at overkommelige enheder som Muse vil gøre diagnosen af ​​denne tilstand meget mere overkommelig, og han undersøger i øjeblikket, hvordan det kan være muligt.

Når EEG bliver billigere, vil det være interessant at se, hvad andre forbrugerapplikationer til teknologien dukker op (eller at hackere som dig og jeg vil udvikle sig!). En anden interessant ting ved projekter som Muse-sensing-briller er, at vi nu relativt let kan undersøge den "mentale tilstand" for den person, der bærer den, og give os en idé om vores evne til at fokusere og mental arbejdsbyrde (interessant nok, i den sammenhængende papir) ovenfor observerede de, at der anføres, at “erfarne meditationsudøvere har en meget mærkbar (EEG) -profil”).

Det kan endda hjælpe os med at blive bedre til klar drøm ... men vi bliver nødt til at vente og se om det!

Forslag til videre læsning

Jeg foreslår, at du læser dette fantastiske stykke om NeuraLink. Det er ikke tilfældigt, at det blev offentliggjort omkring en måned, før jeg begyndte at komme ind i neurovidenskab - efter at have læst det, blev jeg inspireret til at begynde at udforske dette felt.

Hvis du har en Muse-enhed, skal du bestemt tjekke EEG 101, et open source Android-program, der lærer de grundlæggende om EEG.

Det vigtigste er, at du tilmelder dig NeuroTechX Slack Community! Som nævnt ovenfor var det sådan, jeg lærte det meste af det, jeg ved om EEG i dag, og var grundlaget for en masse af det, du lige har læst ovenfor.