Интерфейсы «мозг-компьютер» (BCI) — это системы взаимодействия, использующие активность мозга, измеренную с помощью различных методов нейровизуализации, для управления внешними устройствами, например такими как компьютеры. Функциональная ближнеинфракрасная спектроскопия (fNIRS) широко применяется в BCI, поскольку она полностью портативна, относительно проста в использовании, устойчива к движению и обеспечивает высокое пространственное разрешение. Такая связка fNIRS-BCI расширяет возможности применения и настройки по сравнению с другими общими методами. В этом посте мы опишем области применения и цели fNIRS-BCI, приведем примеры исследований для каждой категории методов и предоставим обзор решений fNIRS, которые работают в связке fNIRS-BCI.
Нейрореабилитация
Метод fNIRS-BCI используется в медицинской практике благодаря своей компактности, простоте использования и комфорту. В нейрореабилитации fNIRS-BCI может применяться для восстановления двигательных и/или когнитивных функций и развивания нейропластичности у пациентов с неврологическими расстройствами, такими как инсульт или болезнь Паркинсона.
Во время выполнения задач пациентов, например, визуализации движений, отслеживается и обрабатывается активность мозга, а обратная связь в режиме реального времени может передаваться на внешнее устройство.
Примеры исследований:
- Исследовательская группа во главе с Камавуако (Kamavuako et al.) провели исследование для проверки возможностей метода fNIRS-BCI для четкого разграничения, а также классификации явной и скрытой речи. Для измерения активности префронтальной коры во время громкой и тихой речи у здоровых участников использовался fNIRS-прибор OxyMon. Признаки извлекались с помощью алгоритма без учителя, а для классификации применялась оптимизированная машина опорных векторов. Были достигнуты высокие значения точности классификации явной и скрытой речи при использовании оксигенированного и дезоксигенированного гемоглобина, что указывает на потенциал метода fNIRS-BCI в качестве инструмента для обнаружения речи у пациентов с нервно-мышечными расстройствами, такими как синдром «запертого человека» (бодрствующая кома).
- Асади и др. (Asadi et al.) разработали новую парадигму использования сопряженного метода fNIRS-BCI в задачах двигательного воображения для повышения точности классификации с помощью портативной fNIRS системы Brite. Полученные результаты коррелировали с высокими значения точности классификации 89,12% и 88,47% при использовании метода «опорных векторов» и модели «случайного леса» соответственно, что указывает на высокие возможности применения предложенного метода для задач двигательного воображения в связке fNIRS-BCI.
Нейробиообратная связь
Мониторинг активности мозга с помощью fNIRS может использоваться в приложениях нейробиообратной связи для тренировки и улучшения саморегуляции функций мозга в режиме реального времени. Нейробиообратная связь fNIRS может применяться для улучшения когнитивных или двигательных функций, а также эмоциональной регуляции, и поэтому используется в различных медицинских областях в целях реабилитации.
Примеры исследований:
- В недавнем исследовании Park оценил потенциал когнитивных тренировок с использованием виртуальной реальности в сочетании с нейробиообратной связью fNIRS для улучшения когнитивных функций у пожилых пациентов с легкими когнитивными нарушениями (ЛКН, mild cognitive impairment — MCI) с использованием fNIRS устройства OctaMon. Результаты показали, что в активной группе пациентов наблюдалось значительное увеличение активности префронтальной коры и улучшение когнитивных функций по сравнению с обеими контрольными группами (плацебо и группа ожидания), что указывает на высокий потенциал использования когнитивных тренировок на основе виртуальной реальности в сочетании с нейробиообратной связью fNIRS для улучшения когнитивных и нейронных способностей.
- Чжэн и др. (Zheng et al.) предложили протокол исследования для рандомизированного контролируемого исследования (стандарт исследования, оценивающий эффективность вмешательств путем случайного распределения участников в экспериментальную или контрольную группу), чтобы проверить эффекты тренировок с нейробиообратной связью fNIRS в сочетании с виртуальной реальностью на улучшение двигательных функций в реальных условиях у детей с СДВГ. Участники исследования были случайным образом распределены между: группа вмешательства (получающие тренировки с нейробиообратной связью fNIRS в виртуальной среде) и две контрольные группы (получающие либо традиционные когнитивные тренировки, либо группа ожидания).
отите узнать больше о методе fNIRS-BCI, его теоретических и практических основах, преимуществах и особенностях, а также о применении в медицинской практике? Тогда мы рекомендуем посмотреть двухсерийный вебинар «fNIRS-BCI: Methodology and (clinical) application possibilities», проводимый д-р Беттина Соргер (Bettina Sorger, Маастрихтский университет) и д-р Франциска Кляйн (Franziska Klein, Институт информационных технологий Ольденбурга).
Применение fNIRS-BCI в повседневной жизни
Помимо медицинского применения, fNIRS-BCI имеет также потенциал для использования в повседневной жизни, например, для определения умственной нагрузки или оценки медиаконтента. По сравнению с другими методами, fNIRS полностью портативен, прост в использовании и устойчив к артефактам движения, что делает его идеально подходящим для применения в естественных условиях, вне лабораторном окружении.
Примеры исследований:
- Лян и др. (Liang et al.) провели исследование с использованием fNIRS-BCI изучения нейронной реакции на различный аудиальный и визуальный контент в рамках одного жанра фильмов. Для измерения активации префронтальной коры во время просмотра пугающих сцен (фильмы ужасов) использовался fNIRS прибор OctaMon. Результаты могут помочь в оценке аудиовизуального контента и способствовать улучшению будущих адаптивных впечатлений.
- Другая исследовательская группа во главе с Филиппи (Filippi et al.) использовали устройство Briteдля оценки того, является ли эффект зеркального нейрона мешающим фактором при использовании fNIRS-BCI для управления устройствами на основе мыслей у здоровых участников с функционирующими двигательными навыками.
Определение и классификация
Как в медицинских исследованиях, так и в повседневной жизни, fNIRS-BCI широко применяется в качестве инструмента определения и классификации. За пределами медицинской сферы его можно, например, использовать для прогнозирования умственной нагрузки или принятия решений в различных ситуациях.
Примеры исследований:
- Ruotsalo et al. представили метод аффективной аннотации (процесс маркировки медиаконтента на основе вызываемых им эмоций) непосредственно из сигналов мозга с использованием fNIRS-BCI, измеренных во время аффективного опыта группы людей с помощью Brite. Результаты подчеркивают высокий потенциал предложенного метода для точного прогнозирования аффективных аннотаций, особенно в больших группах людей, без необходимости умственного или физического взаимодействия.
- Долманс и др. (Dolmans et al.) исследовали потенциал мультимодального глубокого обучения, включая fNIRS, для классификации воспринимаемой умственной нагрузки. Различные физиологические параметры, например, активность мозга, измеренная с помощью Brite, измерялись одновременно и синхронизировались через Lab Streaming Layer (LSL). Была разработана глубокая нейронная сеть для классификации умственной нагрузки. При использовании нескольких модальностей была достигнута высокая точность классификации умственной нагрузки (0,985), особенно по сравнению с использованием одной модальности.
Какие устройства fNIRS мы предлагаем для проведения мультимодальных исследований
Мы предлагаем широкий ассортимент портативных, беспроводных и легких устройств fNIRS, которые можно использовать в любых условиях (как внутри, так и вне лаборатории) для проведения fNIRS-BCI в медицинских исследованиях и/или повседневной жизни:
- Brite одно из самых универсальных устройств в линейке портативных fNIRS, измеряющее активность мозга в любой области коры головного мозга с помощью 27 каналов. Благодаря своей портативности и включенным функциям для оптимального качества сигнала, таким как многоуровневая регулировка усиления и короткие каналы, Brite идеально подходит для приложений fNIRS-BCI.
- Если преимущественно интересуют только измерения в префронтальной коре, то Brite Frontal будет оптимальным вариантом. Прибор поставляется со специальной повязкой на голову и шаблоном, охватывающим всю лобную кору, что обеспечивает простую и быструю настройку за несколько минут.
- В случаях использования метода fNIRS-BCI в медицинских условиях, MediBrite будет хорошим решением. Созданный на основе Brite, MediBrite обладает схожими функциями и техническими преимуществами, но был улучшен для использования в медицинских исследованиях. Это единственное европейское портативное медицинское устройство NIRS, соответствующее требованиям MDR (ЕС), и поэтому идеально подходит для использования в нейрореабилитационных приложениях.
- Если вам нужен интерфейс мозг-компьютер с использованием fNIRS и небольшого количества каналов, то Brite Lite (Frontal) может измерять активность мозга по 8 каналам в полностью носимой и беспроводной конфигурации.
Оба программных решения, OxySoft и Brite Connect, поддерживают Lab Streaming Layer (LSL), который можно использовать для потоковой передачи данных в режиме реального времени или синхронизации с другими потоками измерений, что идеально подходит для использования в интерфейсах мозг-компьютер (BCI).
Сочетание fNIRS и ЭЭГ для интерфейсов мозг-компьютер BCI
Для повышения производительности гибридные системы интерфейсов мозг-компьютер BCI, сочетающие fNIRS и электроэнцефалографию (ЭЭГ), все чаще используются как в медицинских, так и в неклинических иссследованиях. Интеграция обеих модальностей позволяет дополнять друг друга и может привести к улучшению классификации или нейробиообратной связи. Интегрированные и портативные системы fNIRS-EEG поставляются с комбинированными держателями для облегчения размещения электродов и оптодов, а также с полностью интегрированным программным решением в OxySoft, что делает их идеальным решением для внедрения гибридных интерфейсов мозг-компьютер BCI.
