2.8. Нейрокомпьютерный интерфейс

Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ), англоязычное название Brain-Computer Interface (BCI) – это интерфейс между человеком и компьютером, который получает команды напрямую от мозга без совершения какого-либо физического движения.

BCI использует метод электроэнцефалографии (ЭЭГ). Любое движение, восприятие или внутренняя мыслительная деятельность связаны с определёнными паттернами (англ. pattern – образец, шаблон, система) активизации нейтронов, которые взаимодействуют друг с другом посредством электрических импульсов. Эти токи можно зарегистрировать снаружи головы с помощь методов ЭЭГ, которые разработал в 1929 г. Ганс Бергер.

Встречаются и другие определения BCI. BCI – это коммуникационная система, в которой сообщения или команды, посылаемые индивидуумом во внешний мир, не проходят через обычные нормальные каналы мозга в виде периферийных нервов.

Нейрокомпьютерный интерфейс – это интерфейс, который использует электрофизиологические сигналы для управления внешними устройствами.

Проблемой управления внешними устройствами компьютера при помощи одного только мозга начал заниматься в 1967 г. Эдмонд Деван (Edmond Dewan). Он провел эксперимент по считыванию управляющих сигналов с помощью электроэнцефалографа. Испытуемые научились до определенной степени контролировать амплитуду мозгового альфа-ритма и таким образом передавали отдельные буквы при помощи азбуки Морзе. Первым словом, переданным таким образом было слово «Кибернетика». Назвать эту систему нейрокомпьютерным интерфейсом еще нельзя, но данный эксперимент демонстрирует возможность осмысленного управления внешним устройством при помощи мысли.

В настоящее время имеются несколько коммерческих устройств, позволяющих сопрягать энцефалограф и компьютер.

Первым было устройство Interactive Brainwave Visual Analyser, выпущенное фирмой IBVA (www.ibva.com) еще в 1991 г.

Более совершенное устройство ввода электрофизиологических сигналов в компьютер под названием Cyberlink Interface выпустила на рынок компания Brain Actuated Technologies (www.brainfingers.com). В Cyberlink Interface сигналы снимаются с датчиков, размещенных на лбу пользователя на головной повязке, как и в IBVA. Лоб выбран потому, что с кожи хорошо снимать биопотенциалы, вызванные работой мозга и связанной с ней активностью лицевых мышц.

В 2008 г. компания Emotiv на конференции Game Developers Conference 2008 представила вариант НКИ – Emotiv EPOC. Emotiv EPOC представляет собой шлем с датчиками (рис. 2.31), воспринимающими сигналы, сопровождающие мыслительную активность пользователя, и специализированный софт, способный эти сигналы обрабатывать и генерировать на их основе управляющие команды.

Рис. 2.31. Внешний вид шлема Emotiv EPOC

EPOC включает в себя «EmoKey» – программное обеспечение, используемое для эмуляции нажатия клавиш на основе сочетания мысли, чувства и выражения лица. Эмуляция мыши построена на основе гироскопов. Это программное обеспечение позволяет управлять через гарнитуру большинством существующих игр, программами мгновенного обмена сообщениями и другим программным обеспечением. Согласно информации специалистов компании их устройство способно определять простейшие команды: «направо», «налево», «прыжок», «бросить», «тянуть» и пр., а также до 30 различных состояний пользователя, включая эмоции и мимику.

Для подстройки EPOC под конкретного пользователя сначала нужно пройти несколько тестов. Данный интерфейс не позволяет набирать тексты, отправлять документы на печать и по электронной почте.

В 2009 г. ученые физического факультета МГУ и Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН начали разработку проекта NeuroG. Проект преследует цель создания универсальных алгоритмов для распознавания зрительных образов, которые можно будет использовать для разработки новых средств нейроинформатики. Область применения проекта очень широка: он может быть использован для лечения нейрологических заболеваний, образования и в социальных сетях. Уже разработан интерфейс для нейропоиска для поисковой системы Яндекс. Для подключения человека к компьютеру в проекте используется «шлем» Emotiv EPOC (заметим, что цена – примерно 300 долл., компания Emotiv продала более 30 тысяч таких устройств). На рис. 2.32 приведено фото с демонстрации эксперимента по распознаванию воображаемых образов.

Рис. 2.32. Эксперимент по распознаванию воображаемых образов проекта NeuroG

В апреле 2011 г. был запущен вебсайт проекта, и обладатели Emotiv EPOC получили возможность самостоятельно присоединиться к проекту, зарегистрировавшись и установив специально дополнение к Firefox.

Очень необходим BCI для десятков тысяч больных людей: полностью парализованных людей (таких людей называют locked-in-синдром, пациентов с АЛС, пациентов с тяжелыми инсультами и травмами). Для такой категории пользователей возможно использование инновационных BCI, которые используют сигналы с поверхности коры головного мозга.

Первый в мире коммерческий доступный нейрокомпьютерный интерфейс Intendix представлен на выставке CeBIT 2010 компанией Guger Technologies.

Система Intendix предназначена в первую очередь для парализованных пациентов больниц. Система готова к использованию через 10 минут настройки. На экран компьютера выводится таблица символов; для того чтобы набрать какой-либо из них, пользователь концентрирует на нем свое внимание. Сигналы с шапочки передаются на усилитель, после чего отправляются на компьютер, который определяет, какой именно символ пользователь хотел ввести. После тренировки можно набирать тексты с экранной клавиатуры на скорости до 1,25 символа в секунду путём концентрации внимания на строках и столбцах, мерцающих поочерёдно. С помощью специальной шапки для электроэнцефалографии система при этом снимает сигнал с коры головного мозга. На рис. 2.33 приведено фото системы Intendix.

Рис. 2.33. Система Intendix

Кроме набора символов, программное обеспечение Intendix умеет подавать различные сигналы по желанию пользователя, озвучивать текст, отправлять документы на печать и по электронной почте.

В заключение отметим, что ежегодно проводится конкурс на наиболее распространённый алгоритм обработки ЭЭГ, обеспечивающий выделение из нее требуемой информации.