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Introduzione a Brain Computer Interfacce

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Quindi, salve in questa sessione introdurremo interfacce cerebrali - computer e c'è molto interesse per la BCI negli ultimi 3 - 4 anni. Ha raggiunto l'interesse generale del grande pubblico; ma la gente ci ha lavorato per gli ultimi 20 - 30 anni. E sostanzialmente la BCI e la cosa precedente erano interfacce brain-machine BMI. Sono dispositivi o sistemi che rispondono ai processi neurali nel cervello che generano o modificano il movimento. Quindi, il segnale che usiamo sono segnali dai neuroni o dal cuoio capellato; quindi si ha il cervello. Hai segnali in arrivo dal cervello che conosci di seguito o poco prima di qualsiasi movimento. E poi si ha l'elaborazione del segnale e poi si ha un dispositivo un computer o un braccio protesico per esempio le mosse del widget. Quindi, non si muove questo; questo si muove in base ai segnali che il sistema si picchia dal vostro cervello.

Allora, qual è l'obiettivo di BCI? L'obiettivo primario di BCI è supporre che tu sia paralizzato. Dovrebbe sapere o i tuoi percorsi neurali sono danneggiati; così puoi usare i segnali cerebrali piuttosto che i tuoi arti paralizzati per controllare i dispositivi. E questo potrebbe essere dispositivi robotici o qualsiasi dispositivo. Così, i loro sistemi BCI sono previsti per avere un grande impatto societario. E c'è un crescente interesse da parte dell'industria a commercializzare e commercializzare sistemi BCI per applicazioni mediche e non mediche, soprattutto in Giappone. E uno degli spin-off è che si possono espandere i sensi, ad esempio si possono sentire e toccare gli infrarossi. Quindi, queste sono la sensazione infrarossa non è normalmente presente negli esseri umani; ma con appositi sensori è possibile fare di un animale un mammifero, riconoscere e rispondere agli infrarossi. Allora, chi sono gli innovatori in questo campo?

Quindi, ci sono alcune aziende che sono pionieri in questo campo; la maggior parte sono in fase di ricerca e ci sono pochi prodotti che sono stati offerti commercialmente. Quindi, uno è i segnali neurali che stanno sviluppando la tecnologia per ripristinare il discorso ai disabili. Quindi, si ha questo è un impianto cerebrale, quindi si hanno i sensori nell'area del cervello Broca che trasmettono segnali a un computer e poi ad uno speaker. Con una formazione adatta, il soggetto potrebbe pensare a ciascuno dei 39 fonemi in lingua inglese, e il discorso può essere ricostruito attraverso il condizionamento del segnale, e lo si sente attraverso l'altoparlante. La Nasa ha ricercato un sistema per la lettura di segnali elettrici dai nervi in bocca e nella zona della gola piuttosto che direttamente dal cervello e cercano web digitando mentalmente il termine NASA in Google. Cyberkinetics Neurotechnology Systems nell'interfaccia neurale che consente ai disabili di controllare una sedia a rotelle, una protesi robotica o un cursore del computer. E infine i ricercatori giapponesi e le emotive hanno sviluppato un'interfaccia cervello - computer che permette agli utenti di controllare il loro avatar in un mondo online; ad esempio Second Life o World of Warcraft. Ma, nulla è stato ampiamente dispiegato sono ancora in fase pilota e roba. Quindi, c'è ancora un'enorme opportunità in questo campo per realizzare un dispositivo BCI che sia conveniente e affidabile.

Quindi tipi di BCI, quindi la BCI può essere invasiva, quindi qui si hanno array multielettrodi di decine a centinaia di elettrodi impiantati in tessuto corticale cerebrale da cui è decodificato l'intento di movimento. Tutti voi dovete aver visto la recente manifestazione di Elon Musk, dove hanno ricostruito i movimenti delle gambe a mano e le quattro zampe in un maiale su un tapis roulant. E questo è quello che hanno fatto esattamente, quindi ma non siamo sicuri di quanti elettrodi impiantano. Non siamo dove è stato impiantato; non è ancora pubblicato. Per la varietà non invasiva di BCI qui usiamo il segnale scalp e regiviamo i cambiamenti dello stato EEG. E questo passa attraverso un'unità di condizionamento del segnale, e si può controllare un cursore del computer o si può controllare un braccio robotico.

Allora, quali sono le tendenze attuali nel mondo BCI? Quindi, è estesa e si sta alzando rapidamente soprattutto in Cina. E la tecnologia BCI si avvicina rapidamente al livello di pratica medica di prima generazione. E sperimentazione clinica di tecnologie BCI invasive, uso domestico di BCI non invasivo, BCI basato su EEG; esempio Neuroscan e elettronica di consumo con emotiva e neurosky. Ora, emotive e neurosky sono sistemi di gamer e i più economici rispetto ai sistemi professionali. Quindi, qualsiasi studente interessato a un DIY fai da te stesso tipo un setup può usare questo. E non ne ho parlato qui il software chiamato open BCI; open BCI è contribuito da molti - molti gruppi di ricerca di tutto il mondo. Ed è il software standard che si usa per la ricerca BCI; a meno che non si voglia scrivere il proprio codice. Ma, la ricerca BCI in tutto il mondo è disomogenea, quindi la BCI invasiva è quasi esclusiva negli Stati Uniti del Nord America. I sistemi BCI non invasivi predominano in Europa e UK. La ricerca algoritmica è abbastanza guidata dalla Cina e la robotica dove si controllano i robot avviene perlopiù in Giappone le anticipazioni.

Quindi, le immagini qui sulla sinistra si vedono BCI invasive; quindi usano un progetto chiamato cancello cerebrale. E usano un elettrodo che vedete qui sopra che è di circa 1 centimetro elettrodo quadrato. Si tratta di elettrodi multipli in questa matrice, matrice di elettrodi ed è inserito nel cervello di una persona con un problema maggiore. E si fa un intervento chirurgico, lo si inserisce, si chiude e poi si allenano la persona a controllare attraverso un'unità di condizionamento del segnale di collegamento; o un cursore o una robotica. C'è molto interesse da parte della comunità di difesa in BCI anche e perché la guerra e la difesa sono grandi stimoli per la ricerca, purtroppo. Quindi, tanti progressi negli elettrodi e negli algoritmi di condizionamento, la robotica è stata spinta dall'interesse della difesa in BCI.

Quindi, segnali e hardware nel BCI non invasivo umano, ci concentreremo su BCI non invasivo; perché per la BCI invasiva non è pratico a meno che non si sia neurochirurgo e abbia accesso ai cervelli dei pazienti. Quindi, la BCI non invasiva si fa sapere che usiamo il cuoio capellato, registrato EEG. Quindi, quello che viene registrato sono i segnali elettrici, sono compresi tra 5 e 10 microvolt; hanno registrato dai scalpi. E questo potrebbe essere potenzialità motoria, abbiamo visto come per esempio il CNV o il potenziale di ponte o il ritmo mu. Potrebbe essere di onde a onde lente, di nuovo il CNV e slow dc turni prima del movimento. Potrebbe utilizzare il veloce Fourier Transform sul ritmo mu; così si può usare il picco del segnale FFT per controllare il movimento, oppure potrebbe essere potenzialità cognitive come il buon vecchio P300. Così, in mezzo si vede un sistema P300, quindi tipicamente quello che succede è e questo viene da GTech questa è una buona compagnia di BCI tedesca superba. È un po' costoso ma vendono dispositivi, che si potrebbero usare a casa. Supponi di avere pazienza con ictus e vogliono riabilitarli o aiutarli a comunicare; questo è certificato per l'uso a casa.

Quindi, tipicamente si è diversi per lo stimolo P300, si hanno diversi alfabeti lampeggiati sullo schermo. E supponiamo che tu voglia salutare, quindi hai diversi alfabeti scalati e ogni volta che vedi la parola h. La prima lettera della parola ciao, sai di avere un segnale P300 e 6 istanze di questo e otterrà la parola h. Quindi, similmente, e, similmente l, di nuovo l e poi o; è davvero doloroso, il tasso di comunicazione è così lento. Tuttavia, per una persona che è tipo rinchiuso dentro e che non può parlare; questa è una svolta importante che possono almeno comunicare con la gente. Quindi, anche se è molto primitivo e roba per una persona che non può comunicare altrimenti a causa di qualche grave disfunzione come ictus, questo è davvero davvero utile.

Cosa sono gli altri BCI? Questo è il segnale BCI P300, quindi gli altri segnali BCI sono il potenziale evocativo visivo. E si raccolgono il potenziale evocativo visivo dalla corteccia occipitale dietro, e si hanno numero di scelte. Non c'è formazione coinvolta e la velocità di trasferimento è abbastanza alta. In realtà, vi è una particolare variazione del potenziale evocativo visivo per il potenziale di lavoro somatosensoriale utilizzato. Il vantaggio di questo è che non viene coinvolta alcuna formazione ed è una velocità di trasferimento abbastanza decente rispetto agli altri segnali BCI. Poi SCP; il potenziale corticale lento, questi sono turni lenti nei segnali cerebrali e non ci sono molte scelte né 2 o 4, ed è piuttosto difficile. Hai bisogno di un sacco di allenamento e la velocità di trasferimento delle informazioni è piuttosto bassa. Abbiamo appena visto il P300, questi sono picchi positivi a causa di stimoli infrequenti; e il numero di scelte è alto. Non è coinvolta alcuna formazione e il trasferimento informativo è (moderato) medio. Poi i ritmi sensorimotori, i nuovi ritmi, ecco le modulazioni e i ritmi sensoriali sincronizzati alle attività motorie come si pensa di muovere la mano. Così, ancora qui le scelte sono basse e si ha bisogno di formazione e la velocità di trasferimento delle informazioni non è brillante, è piuttosto bassa. Questo dipende dalla persona che alcune persone sono in grado di farlo molto velocemente con poca formazione, alcune persone prendono molto più tempo. Quindi, dipende dal cervello innato capacità e anche quanti danni ha sofferto a causa di ictus o qualunque cosa.

Ecco, questi sono i segnali reali, quindi si hanno queste potenzialità corticali lente su pannello A; così negative e si vede questa cosa che si scende qui sotto. Così, mentre raggiunge un picco, si può usare questo per spostare il braccio protesico. Poi hai il potenziale evocativo P300 dove hai il normale potenziale evocativo visivo. E poi quando hai il pote ... uno stimolo che ti rispondi ha un enorme P3 qui sopra; e questo è un P300 assoluto negativo è invertito. Poi si hanno ritmi sensorimotori quello che ho detto in lezioni precedenti come il ritmo mu, dove si ha negli elettrodi centrali, ritmi nella banda di alfa da 8 a 12 hertz. E non appena si pensa di muovere la mano o la gamba, scompare; così si può usare l'analisi FFT, si ottiene un picco. E si può usare come segnale BCI. E infine BCI intracorticale dove si hanno elettrodi come l'elettrodo che ha mostrato prima. Questo è inserito all'interno del cervello e questo è il migliore perché si ha la minima quantità di rumore ma non si può farlo negli esseri umani. Ma, si può fare negli animali e questo dà il miglior segnale.

Quindi, questo è un ritmo sensorimotorio e se si guarda questo è il segnale EEG regolare, che è stato decomposto nei suoi componenti FFT. Quindi, la puntata è la linea di interesse che è il ritmo alfa della banda alfa. Il 14 a 18 hertz che è prevalentemente beta e che ha anche un segnale, e le fasce più alte come la banda di gamma che è da 36 a 40; che si verifica prima di conoscere il movimento o il pensiero del movimento. E qui il movimento si misura mettendo un elettrodo elettrogeno EMG sulla mano o sulla gamba. E si vede il ritmo mu quello della banda alfa che dà il miglior segnale. Quindi, usiamo questo segnale per controllare il nostro braccio protesico tramite unità di condizionamento del segnale.

Il potenziale visivo allo stato stazionario, ora considera il VEP il potenziale evocativo visivo; hai un p1, n1, p2 i picchi iniziali. Ora, puoi darli a frequenze diverse e questo è molto buono perché ha un alto tasso di trasferimento. È più stabile di solo il VEP e non c'è una formazione richiesta. Quindi, considerate sulla destra qui sopra, ci avete prima lasciato guardare il segnale a sinistra. Quindi, hai segnale in arrivo ad alta frequenza 2 hertz, 4 hertz cosa hai e hai il VEP che lo segue. Ora, considera il circuito qui sopra, il soggetto è seduto davanti a una TV e hai 3 LED diversi Mi dispiace 4 LED diversi, uno sopra a destra, sotto e a sinistra. Ora, ognuno di questi LED lampo a velocità diverse; 2 hertz per il forward - turn right, 4 hertz - torna indietro, 6 hertz e girando a sinistra 8 hertz o qualsiasi combinazione. Quindi, se vuoi andare avanti o vuoi un robot è collegato all'impianto di condizionamento del segnale per andare avanti; guardati basta guardare il LED in avanti e il tuo cervello entra nel ritmo di 2 hertz. Se volete tornare indietro, guardate il LED posteriore; e se è 4 hertz, va a 4 hertz e questo è il vostro segnale. Se lo si guarda bene è 6 hertz e lo lascia è di 8 hertz. Quindi, questi primi e spingono il cervello in queste frequenze e osservando queste frequenze è possibile rendere di nuovo l'utilizzo di queste frequenze da parte di un'unità di condizione del segnale. Puoi farti avere 4 segnali, puoi fare robot, andare avanti, indietro, a destra o a sinistra.

Quindi, molto lavoro è stato fatto con le scimmie; perché le scimmie sai che possiamo entrare dentro il loro cervello. Così, allenate una scimmia per raggiungere qualcosa, quindi quando si raggiunge per qualcosa che si guarda questo a destra c'è la trama raster. Si hanno elettrodi che registrano unità nelle singole unità cerebrali che sparano; così si ha un set massiccio di unità in rosso quando le scimmie raggiungono. Quando non fa niente e si siede tranquillamente, non si ha quel segnale. Ora, appena ricevi il segnale prima che raggiunga, puoi far raggiungere il braccio robotico. Così, la scimmia impara o meglio il cervello della scimmia impara e poi la scimmia è in grado dopo qualche allenamento di muovere il braccio robotico solo pensando. Quindi, sta andando pensa di raggiungere e il braccio robotico raggiunge e questo dovrebbe funzionare analogamente anche negli esseri umani. Questi sono dettagli la scimmia seduta e si trova il suo joystick o qualunque cosa da raggiungere e si ha un circuito di condizionamento del segnale. E una volta percepito il segnale di arrivo con tutte queste unità nel colpo di cervello; muove il braccio robotico robot.

Così, analogamente con i ratti e con i ratti un po' di sottofondo neuroscientifico qui sopra; c'è qualcosa che si chiama homunculus che è una rappresentazione di diverse aree sensoriali delle aree esterne del corpo sul cervello e si vede quanto sia distorta. Hai un sacco di rappresentazione per la palma, enorme rappresentazione per le labbra e la lingua, e per i piedi ma non molto per il resto del corpo. E questa è la parte più importante di un sensoriale, le braccia, i piedi, le labbra, la lingua. Così, similmente il, questo è l'umano e questo è un homunculus sensoriale; anche tu motore homunculus che è simile ma poco diverso. E questo è rappresentato sulla parte motoria del cervello, le palestre pre - centrali. Quindi, se si vede l'homunculus sensoriale il collo, la spalla testa, il braccio sulla cima poi si ottiene il pollice, il viso, i denti, la lingua, la faringe. Quindi, è così e la gamba è proprio in cima. Così, in un ratto il principale organo sensoriale sono i baffi; così il ratto usa i baffi per avvertire gli ostacoli nel suo ambiente. E ha uno schema specifico su entrambi i lati del naso, e questo schema è rappresentato sulla parte sensoriale del cervello dei ratti. Quest' altra immagine distorta è il ratto homunculus proprio come l'homunculus umano; è la versione molto distorta della superficie del corpo dei ratti con le parti più importanti che si danno più una superficie. E questa è l'istologia che guarda l'area microscopica di questo visco - corteccia se si e queste zone di colorazione scure queste piccole isole rappresentano ogni capello sul lato opposto del suo volto.

Quindi, esperimenti molto interessanti sono stati fatti dal professore Nicolelis Duke ed è uno dei leader in questo campo dove hanno usato un emettitore ad infrarossi. E nei ratti la visco-corteccia, impiantano e stimolano gli elettrodi che venivano da un rivelatore IR. Quindi, in sostanza, invece di ottenere un feedback dai suoi baffi, sta ottenendo input nella zona dei whisky ma da una fonte infrarossa. Quindi, per il ratto, si sente un ostacolo ma in realtà l'ostacolo sono le emissioni infrarosse. E questo è interessante perché il ratto non ha senso infrarossi ma ora si sta facendo sentire gli infrarossi. E per maggiori dettagli si può andare su questa carta, è una carta seminale in questo campo.

Alcuni dettagli del rivelatore a infrarossi e degli elettrodi stimolanti. Quindi hai una fonte infrarossa. Hai questo rivelatore sulla testa dei ratti e poi hai gli elettrodi stimolanti che stimolano il whisky sono un non appena si ottiene l'ingresso a infrarossi. Quindi, gli elettrodi sono fortissime forwards bifasiche di 30 mu microfili in acciaio inox ciascuno circa un terzo di un millimetro a distanza di 300 mu. L'IRD o il Rilevatore Infrarossi è collegato al connettore ed è alimentato da due pin di riferimento extra sul connettore. E ha senso questa è la sensibilità, percepisce questo particolare questa è una lunghezza d'onda di 940 nanometri ad infrarossi. E gli impulsi una volta che manda, una volta che manda sensi questo. Le pulsazioni che vengono date al cervello sono di 100 millisecondi di durata con 50 millisecondi tra fasi catodici e anodiche.

Così, questo permette al ratto dopo allenamento di rispondere agli infrarossi, poi dopo un po' di tempo il topo che conosci non può sapere che non c'è distinzione tra qualcosa che tocca i suoi whisky o un emettitore a infrarossi stimolando il cervello dei ratti. Allora, quello che il professore Nicolelis ha fatto è stato quello di creare un animale, che percepisca una sensazione che normalmente non ha senso; che a me è un po' snello. Quindi, implicazioni di BCI: Così, uno è un feedback sensoriale completo. Quindi, ha chiuso un'interazione cervello bidirezionale a ciclo bidirezionale; migliora significativamente il tempo di reazione del rt e la precisione. Si può anche trascendere una specie normale di gamma perpetua, come abbiamo appena visto una neuroprotesi corticale può espandere la percezione della specie agli infrarossi. Quindi, se può farlo per infrarossi, è banale farlo per sensori di radiofrequenza o campi magnetici, etc o ciò che si ha. Poi l'altra cosa è che si può avere teoricamente un'interfaccia cervello - cervello; condivisione in tempo reale di informazioni sensorimotori.

Così, questo è stato fatto come prova di principio da parte tua conoscere questa azienda chiamata Inobio. E come ha fatto il dottor Riera e il dottor Alvaro Pascual - Leone. Quindi, praticamente hai l'immaginario motorio che accade in un solo cervello, e quel segnale viene prelevato. E viene trasferito ad un TMS uno stimolatore magnetico transcranico che abbiamo studiato in precedenti lezioni che sovrasta la corteccia occipitale. Così, non appena un cervello pensa a qualcosa di interessante il TMS stimola l'altro cervello. E l'altro cervello che conosci si vede lo stimolo come un fosforo un lampo di luce molto primitivo. Ma, è stato dimostrato e hanno fatto questo esperimento tra Kerala e Barcellona; il soggetto TMS è stato a Barcellona mentre l'immaginario è stato fatto in Kerala in India. E ha funzionato su internet e ha funzionato benissimo. Un lavoro simile è stato fatto nelle scimmie dal gruppo del professore Nicolelis, dove hanno due scimmie o anche due ratti che si comunicano analogamente tra loro.

Quindi, nelle direzioni future; quindi servono sensori migliori, piccoli sensori e così via. Ecco, questo è un sensore microscopico progettato dal gruppo Professor Waters a Stanford. Quindi, questo pannello intero qui pannello A, è l'ordine di millimetri che mostra qui è di circa 5 - 10 millimetri attaccati alla pelle. E all'interno di questo hai tutti questi sensori, hai un misuratore di tensione per vedere deformazione o pressione. Hai sensori di temperatura, hai sensori ECG/EMG. Hai una bobina di alimentazione wireless, poi hai un rotolo RF per generare frequenze radio e hai un'antenna e un LED solo per dimostrare che sta funzionando. Quindi, questo può anche essere distorto o deformato e funzionano semplicemente bene perché sono flessibili. Quindi, i sensori EEG con il LED accoppiati al segnale EEG e la tua griglia sono da 6 a 10 millimetri per sulci. Inoltre puoi risolvere i solchi e le palestre nel cervello, e può essere usato come trasduttori per l'haptics per sentire una sensazione.