Naučnici istražuju sinhronizaciju regija mozga kako bi pomogli upravljanje interfejsima mozak-mašina. Samo pre nekoliko decenija, mogućnost povezivanja mozga sa računarom kako bi se neuralni signali pretvorili u konkretne akcije delovala je kao nešto iz naučne fantastike.

Međutim, u poslednjih nekoliko godina, napravljeni su naučni pomaci u ovom smislu, putem takozvanih interfejsa mozak-računar (BCI) koji uspostavljaju komunikacijske mostove između ljudskog mozga i računara.

Nedavna studija UPF-a nastavlja da napreduje u ovoj oblasti i donosi nove doprinose u ostvarivanju ovog poželjnog neurološkog dostignuća.

Rezultati studije Centra za mozak i kogniciju UPF-a (CBC) su tema članka objavljenog 7. februara u časopisu eNeuro pod nazivom “Dugačka alfa-sinhronizacija kao kontrolni signal za BCI: Studija izvodljivosti”, zajednički napisanog od strane Martina Esparza-Iaizza (UPF i Univerziteta u Londonu), Salvadora Soto-Faraco (UPF i ICREA), Irene Vigué-Guix (UPF), Mireie Torralba Cuello (UPF) i Manuele Ruzzoli (Baskijski centar za kogniciju mozga i jezik).

Jedan od glavnih trenutnih izazova u neurologiji je identifikacija moždanih signala koji su dovoljno pouzdani za upravljanje uređajima u realnom vremenu. Neurolozi su već postigli uređaje koji se mogu kontrolisati umom koristeći samo aktivnost jedne ili više regija mozga.

Međutim, još uvek nije moguće postići to putem komunikacije i sinhronizacije različitih regiona mozga. Članak objavljen u časopisu eNeuro donosi značajne doprinose u napredovanju ka ostvarivanju ovog cilja.

Aktivnost mozga tokom zadataka vizuelno-prostorne pažnje

Ova studija se zasniva na analizi aktivnosti mozga 10 osoba tokom zadatka pažnje prema vizualno-prostornim stimulima. Izvršeno je do 200 merenja po ispitaniku, a oslanja se na koncept preklopljene lateralnosti: ono što vidimo na desnoj strani vizuelnog polja je predstavljeno u levom hemisferi mozga i obrnuto, ono što vidimo na levoj strani je predstavljeno u desnoj hemisferi.

Nivoi signala mozga poznatog kao alfa opseg opadaju u hemisferi u kojoj su prikazane slike koje posmatramo. Istraživači upoređuju varijacije nivoa alfa opsega sa tanjirima na vagi. Upravo na strani vagi gde se nalazi više težine, tanjiri se više spuštaju, dok na strani sa manje težine se više podižu.

Isto važi i za nivoe alfa opsega: upravo u hemisferi gde su slike predstavljene, nivoi alfa opsega najviše opadaju, dok se na suprotnoj hemisferi povećavaju. Treba imati u vidu da alfa opseg inhibira pobuđenost neurona, te izaziva stanje opuštanja neuronskih populacija. Stoga nije iznenađujuće što je nivo alfa opsega niži u hemisferi mozga koja obrađuje slike.

Takođe treba napomenuti da mozak je podeljen u različite regione koji komuniciraju sinhronizacijom svojih neuralnih fluktuacija, na primer, u opsegu alfa. Precizno, jedan od ciljeva istraživanja bio je analizirati da li dugodometna sinhronizacija alfa opsega između različitih regiona mozga pokazuje lateralizovane obrasce i to su potvrdili autori studije.

Konkretno, ako se fokusira pažnja na desnu stranu, komunikacija između frontalnih i parijetalnih regiona leve hemisfere se povećava, dok se, ako se fokusira na levu stranu, ista komunikacija između ovih regiona povećava u desnoj hemisferi.

Do danas, signali iz alfa opsega kojima frontalni i parijetalni regioni mozga komuniciraju mogu se potpuno registrovati samo putem agregacije podataka iz različitih merenja, a ne putem jednog pojedinačnog testiranja. Stoga je još jedan cilj istraživanja bio upravo ispitati kako registrovati ove neuralne obrasce na nivou jednog pojedinačnog testiranja, što bi omogućilo generisanje kontrolnog signala za aktiviranje uređaja putem interfejsa mozak-računar u stvarnom vremenu.

Kako bi postigao ovo, glavni istraživač, Martín Esparza-Iaizzo, objašnjava da njegova studija pruža metodološki doprinos: “Novost studije je što, za razliku od prethodnih istraživanja, koristi mere sinhronizacije između parijetalnih i frontalnih područja na nivou svakog pojedinačnog testiranja, a ne u agregiranim podacima.”

Međutim, upozorava da su primećene ograničenja trenutnih elektroencefalograma u postizanju tog cilja:

” Trenutna encefalografija ima ograničenja u pogledu prostorne rezolucije i buke, zbog disanja, srčane aktivnosti, itd.”

Ipak, rezultati ovog istraživanja pružaju dobru osnovu za buduća istraživanja. U tom smislu, Esparza-Iaizzo zaključuje: “Ono što naša studija predstavlja je dobra metodologija koja pokazuje da sinhronizacija za sada ne može biti implementirana u svet sistema sa radom u stvarnom vremenu. Nadamo se da će služiti kao paradigma za buduće pokušaje.”

Dugodometna alfa-sinhronizacija kao kontrolni signal za BCI: Studija izvodljivosti

Promene u prostornoj pažnji povezane su sa varijacijama u aktivnosti alfa opsega (α, 8-14 Hz), posebno u interhemisferskoj neravnoteži. Osnovni mehanizam se pripisuje lokalnoj alfa-sinhronizaciji, koja reguliše lokalnu inhibiciju neuralne pobudljivosti, i fronto-parijetalnoj sinhronizaciji koja odražava komunikaciju na dugom dometu.

Specifičan smer ovog neuronskog korelata predstavlja njegov potencijal kao kontrolnog signala u interfejsima mozak-računar (BCI). U ovom istraživanju ispitivali smo da li dugodometna alfa-sinhronizacija pokazuje lateralizovane obrasce u zavisnosti od dobrovoljnog usmeravanja pažnje i da li ovi neuronski obrasci mogu biti detektovani na nivou pojedinačnih testiranja kako bi se obezbedio kontrolni signal za aktivni BCI. Sakupili smo elektroencefalografiju (EEG) podatke od grupe zdravih odraslih osoba (n = 10) tokom izvođenja zadataka skrivene vizuelno-prostorne pažnje (CVSA).

Podaci pokazuju lateralizovani obrazac faznog sprezanja alfa opsega između frontalnih i parijeto-okcipitalnih regiona nakon prikazivanja cilja, što ponavlja prethodna saznanja. Međutim, ovaj obrazac nije bio uočljiv tokom intervala usmeravanja od znaka do cilja, idealnog vremenskog okvira za BCI. Takođe, dekodiranje smera pažnje test-po-testu na osnovu sinhronizacije sa mašinama sa vektorima podrške (SVM) na vremensku tačku znaka bilo je na nivou slučajnog izbora.

Trenutni nalazi sugerišu da EEG možda nije sposoban da detektuje dugodometnu alfa-sinhronizaciju u pažnji usmerenoj na pojedinačnom testiranju i time ukazuju na ograničenja ove metrike kao pouzdanog signala za kontrolu BCI.