28 Σεπ 2011

Διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή: Μέθοδοι (Μέρος 2/3)

Μέρος πρώτο: Διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή: το μέλλον είναι ήδη εδώ

Μέρος τρίτο: Πρακτικές εφαρμογές

Αν και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα που αναφέρθηκαν στο προηγούμενο post ήταν ουσιαστικά εμφύτευση ηλεκτροδίων στον εγκεφαλικό φλοιό των πειραματόζωων και του ασθενούς, οι μέθοδοι που έχουν χρησιμοποιηθεί έως και σήμερα για την δημιουργία συστημάτων διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή είναι πολλές περισσότερες. Γενικά, μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες, τις επεμβατικές και τις μη-επεμβατικές. Η πρώτη κατηγορία αναφέρεται σε αυτές τις μεθόδους στις οποίες απαιτείται ο χρήστης να υποβληθεί σε κάποιου είδους επέμβαση, συνήθως χειρουργικού τύπου, ώστε να τοποθετηθούν συσκευές ανάγνωσης της εγκεφαλικής δραστηριότητας.

Μία από τις πιο γνωστές επεμβατικές μέθοδοι είναι η ενσωμάτωση ηλεκτροδίων στην φαιά ουσία του εγκεφάλου του ασθενούς. Καθώς στην φαιά ουσία βρίσκονται τα σώματα των νευρώνων η ποιότητα του τελικού καταγεγραμμένου εγκεφαλικού σήματος είναι εξαιρετική. Επιπλέον, αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετικά χρήσιμη σε υλοποιήσεις διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή που δεν απαιτείται απλά ανάγνωση του εγκεφαλικού σήματος αλλά ενεργοποίηση πολύ συγκεκριμένων περιοχών του εγκεφάλου. Για παράδειγμα το 2002 εμφυτεύτηκαν ηλεκτρόδια στον ινιακό λοβό (η εγκεφαλική περιοχή που είναι υπεύθυνη για την όραση) τυφλού ασθενούς με σκοπό να τον βοηθήσουν να βλέπει κάποιες σκιές. Ο σχεδιασμός της συσκευής βασιζόταν στην χρήση ειδικής κάμερας ενσωματωμένης στα γυαλιά του ασθενούς η οποία ήταν συνδεδεμένη με τα ηλεκτρόδια στον ινιακό λοβό. Ανάλογα με την ποσότητα φωτός που δεχόταν η κάμερα έστελνε το κατάλληλο σήμα ώστε να ενεργοποιηθούν πολύ συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφαλικού φλοιού, ώστε ο ασθενής να έχει την αίσθηση φωτοψιών στο οπτικό του πεδίο, ξεχωρίζοντας έτσι τις φωτεινές από τις σκοτεινές περιοχές. Η υλοποίηση μιας τέτοιου είδους διεπαφής όπου απαιτείται σχετικά μεγάλη λεπτομέρεια στην επιλογή των νευρώνων προς ερεθισμό θα ήταν πολύ πιο δύσκολη με τη χρήση μη-επεμβατικών μεθόδων.

Τα γυλιά συλλαμβάνουν το φως και το μεταφράζουν σε ηλεκτρικές εκκενώσεις στον ινιακό λοβό του ασθενούς. Αποτέλεσμα της ενεργοποίησης αυτής είναι η αίσθηση φωτοψιών.

Φυσικά, μία χειρουργική επέμβαση στον εγκέφαλο δεν είναι κάτι που μπορεί να γίνεται στον καθένα και για τον οποιοδήποτε λόγο, καθώς υπάρχουν ορατοί κίνδυνοι και παρενέργειες λόγω της επέμβασης. Μερικές φορές μάλιστα η φυσιολογική αντίδραση του οργανισμού για να επουλώσει τις πληγές που προκλήθηκαν από την χειρουργική επέμβαση μπορεί να μειώσει την ποιότητα του εγκεφαλικού σήματος, μηδενίζοντας τα όποια οφέλη μπορεί να προσφέρει η συγκεκριμένη μέθοδος. Για να αποφευχθούν αυτά τα προβλήματα τα τελευταία χρόνια έχουν αρχίσει να αναπτύσσονται κάποιες λιγότερο επεμβατικές μέθοδοι, όπως η χρήση ηλεκτροφλοιγραφήματος , το οποίο βασίζεται στην ίδια λογική με την εμφύτευση ηλεκτροδίων, αλλά σε αυτή την περίπτωση τα ηλεκτρόδια εμφυτεύονται στην περίμετρο του εγκεφάλου και όχι πάνω στην φαιά ουσία. Για την ακρίβεια, η πιο συνηθισμένη τακτική χρήσης ηλεκτροφλοιογραφήματος είναι η εμφύτευσή μιας πλάκας από ηλεκτρόδια κάτω από τη σκληρή μήνιγγα , στην περικρανιακή περιοχή. Τα προτερήματα χρήσης ηλεκτροφλοιογραφήματος είναι ότι έτσι επιτυγχάνεται σχετικά καλή ποιότητα σήματος από συγκεκριμένες εγκεφαλικές περιοχές αποφεύγοντας τις παρενέργειες και τους κινδύνους που εγκυμονεί η εμφύτευση ηλεκτροδίων απευθείας στην φαιά ουσία.

Στην δεύτερη μεγάλη κατηγορία μεθόδων υλοποίησης διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή ανήκουν όλες αυτές που για να πραγματοποιηθούν δεν απαιτείται οποιαδήποτε μορφή επέμβασης στον εγκέφαλο ή το κρανίο του υποψήφιου χρήστη. Η πιο συνηθισμένη τεχνολογία που χρησιμοποιείται είναι το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. Ο χρήστης καλείται να φορέσει ένα ελαστικό καπέλο το οποίο περιέχει μια σειρά από ηλεκτρόδια, κάθε ένα από τα οποία “διαβάζει” τη δραστηριότητα από μία διαφορετική περιοχή του εγκεφάλου. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι κυρίως η ευκολία εφαρμογής της αλλά και η σχετικά γρήγορη ταχύτητα καταγραφής του εγκεφαλικού σήματος, κάτι που επιτρέπει για πιο διαδραστικές εφαρμογές της διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή. Το κύριο μειονέκτημα όμως είναι το γεγονός ότι το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα μπορεί να “διαβάσει” μόνο περιφλοιϊκές περιοχές, καθιστώντας αδύνατη την καταγραφή δραστηριότητας εγκεφαλικών περιοχών που βρίσκονται στον λεγόμενο βαθύ εγκέφαλο. Το δεύτερο μειονέκτημα είναι η δυσκολία εντοπισμού του σήματος μιας πολύ μικρής εγκεφαλικής περιοχής, καθώς τα ηλεκτρόδια του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος είναι μόλις μερικές δεκάδες με αποτέλεσμα το κάθε ένα από αυτά να καταγράφει ταυτόχρονα μερικές χιλιάδες νευρώνων.

Μια δεύτερη μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρέως είναι η λειτουργική μαγνητική τομογραφία. Σε αυτή την περίπτωση ο χρήστης τοποθετείται στον μαγνητικό τομογράφο που βρίσκεται σε ειδικό θάλαμο και συνήθως καλείται να ελέγξει το περιεχόμενο που βλέπει στην οθόνη που βρίσκεται μπροστά του (π.χ. να κινήσει έναν κέρσορα, να αυξομειώσει κάποιες μπάρες αυξομειώνοντας την εγκεφαλική του δραστηριότητα σε συγκεκριμένες εγκεφαλικές περιοχές κ.α.). Το πλεονέκτημα της λειτουργικής μαγνητικής τομογραφίας είναι η πολύ υψηλή οπτική ανάλυση που επιτρέπει στον ερευνητή να εξάγει δεδομένα για πολύ μικρές περιοχές του εγκεφάλου, είτε αυτές βρίσκονται στον εγκεφαλικό φλοιό είτε πιο βαθιά στον εγκέφαλο. Λόγω αυτού του ατού, η διεπαφή εγκεφάλου-υπολογιστή με τη χρήση αυτής της μεθόδου θεωρείται ιδανικό εργαλείο για την αντιμετώπιση ψυχοφυσιολογικών διαταραχών που σχετίζονται με συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου που δεν είναι εύκολα προσβάσιμες διαφορετικά[1] . Από την άλλη πλευρά η μαγνητική τομογραφία δεν μπορεί να λάβει χώρα οπουδήποτε. Ο τεράστιος μαγνητικός τομογράφος φυσικά δεν μπορεί να μετακινηθεί, κάτι που καθιστά το fMRI πολύ κακή επιλογή για την υλοποίηση συστημάτων διεπαφής για να επιλύσουν καθημερινά προβλήματα των υποψήφιων χρηστών (π.χ. χρήση βιονικού χεριού ή χρήση ενός υπολογιστή με την σκέψη). Αυτός είναι και ο βασικός λόγος που η μαγνητική τομογραφία χρησιμοποιείται περισσότερο στην έρευνα, ενώ άλλες μέθοδοι κυρίως για την υλοποίηση πρακτικών εφαρμογών.

Φυσικά υπάρχουν και άλλες μέθοδοι που έχουν χρησιμοποιηθεί για εφαρμογές διεπαφής όπως π.χ. το μαγνητοεγκεφαλογράφημα αλλά ο κύριος όγκος των ερευνών γίνεται με ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, λειτουργική μαγνητική τομογραφία και επεμβατικές μεθόδους εμφύτευσης ηλεκτροδίων.


Author: Δημήτρης Αγοραστός

Ψυχολόγος και κάτοχος μεταπτυχιακού διπλώματος στις νευροσυμπεριφορικές επιστήμες. Έχει ασχοληθεί ερευνητικά με θέματα όπως την έκφραση των ανθρωπίνων συναισθημάτων, την ενσυναίσθηση, την ανάπτυξη μαθησιακών διαταραχών και την διασύνδεση υπολογιστή-εγκεφάλου για τετραπληγικούς ασθενείς. Έχει ολοκληρώσει την θεωρητική του εκπαίδευση στην Γνωστική – Αναλυτική Ψυχοθεραπεία και έχει ασχοληθεί επαγγελματικά και εθελοντικά με θέματα όπως την σωματική και τη ψυχοσυναισθηματική κακοποίηση γυναικών-θυμάτων ενδοοικογενειακής βίας, τη συμβουλευτική και ψυχολογική στήριξη ευαίσθητων κοινωνικών ομάδων αλλά και με τη συμβουλευτική στήριξη και ενημέρωση γονέων και εκπαιδευτικών στην πρωτοβάθμια εκπαίδευση. Αυτό το διάστημα ασχολείται με την ψυχοκοινωνική υποστήριξη προσφυγικών ομάδων, ενώ είναι μεταπτυχιακός φοιτητής Σχολικής Ψυχολογίας στο ΑΠΘ. Είναι ο διαχειριστής και ο κύριος αρθρογράφος του Ψυχολογείν.

Περισσότερες Πληροφορίες / Βιβλιογραφία

  1. Sitaram et al. (2007). “FMRI brain-computer interface: a tool for neuroscientific research and treatment”. Computational Intelligence and  Neuroscience. 25487 []