Электроэнцефалография головного мозга: показания, методика проведения

Непроходящая головная боль, раздражительность и бессонница могут быть результатом нарушения мозгового кровообращения или сбоев в работе нервной системы. Чтобы вовремя выявить патологию у взрослых и детей применяется неинвазивный и информативный метод обследования – электроэнцефалография.

Что такое электроэнцефалография

Электроэнцефалография или ЭЭГ – это один из базовых способов оценки работы нервной системы. Процедура основана на отслеживании активности коры головного мозга в процессе его функционирования. Фиксация импульсов осуществляется с помощью датчиков, которые размещают на голове обследуемого.

Электроды располагают таким образом, чтобы проследить активность всех отделов мозга.

Результатом обследования является энцефалограмма – это бумажная лента с набором кривых линий, отражающих активность мозга в ходе обследования. Расшифровывают результаты, как правило, с помощью компьютерной программы, а в неоднозначных ситуациях – с привлечением невролога-нейрофизиолога.

Благодаря методике можно:

• выяснить, как функционирует мозг в целом: нормально или присутствует патология;
• обнаружить пораженные очаги;
• установить тяжесть повреждений и их вид;
• уточнить предполагаемый диагноз;
• определиться с методикой лечения;
• контролировать текущую терапию.

Принцип работы ЭЭГ

Головной мозг человека состоит из миллионов особых клеток — нейронов. Каждый из них генерирует свой собственный электрический импульс. В пределах отдельных участков мозга импульсы должны быть согласованными. Также они могут усиливать друг друга или делать слабее. Их сила и амплитуда не являются стабильными и постоянно меняются.

Содержание:

• Принцип работы ЭЭГ
• Историческая справка
• Значимость ЭЭГ
• Преимущества электроэнцефалограммы
• Показания для проведения процедуры
• Противопоказания
• Как подготовиться к ЭЭГ
• Выполнение ЭЭГ
• Цель ЭЭГ-видеомониторинга
• Заключение электроэнцефалографии

Это и есть биоэлектрическая активность мозга. Чтобы зарегистрировать ее, на неповрежденную кожу головы можно наложить специальные электроды, которые будут улавливать колебания, усиливать их и записывать в виде особых кривых, так называемых волн. Последние, в зависимости от их формы, частоты и амплитуды, подразделяются на пять видов: α- (альфа), β- (бета), δ- (дельта), θ- (тета) и μ- (мю) волны. Каждая из волн отображает работу определенного отдела мозга и названа первой буквой его латинского наименования.

Их регистрация в реальном времени и есть суть энцефалографии.

Для чего назначают электроэнцефалограмму, противопоказания

ЭЭГ головного мозга используется для дополнительного обследования при расстройствах неврологического, психического и психоневрологического характера. Также ее часто рекомендуют при прохождении плановых медицинских комиссий, особенно на профессиональную пригодность.

Врач дает направление на ЭЭГ, если имеются жалобы на:

• постоянную боль в голове;
• регулярные сильные головные боли;
• головокружения и потерю ориентации в пространстве;
• обмороки;
• проблемы с засыпанием;
• судороги;
• неглубокий ночной сон с частыми пробуждениями.

При подозрениях на некоторые заболевания врач также назначает электроэнцефалографию. Например, при заикании и ЗРР, при эпилепсии, вегетососудистой дистонии, подозрении на новообразования в полушариях мозга.

При проблемах с сосудами и нарушенном кровообращении, после травм головы и сотрясения мозга, при подозрении на воспалительные процессы или дегенеративные изменения в головном мозге также показана электроэнцефалография.

Серьезных противопоказаний для диагностики с помощью данного метода нет. Но в определенных случаях обследование может быть затруднено и неинформативно:

• при сильном психомоторном возбуждении пациента;
• при психическом заболевании в острой фазе;
• при наличии открытых ран на голове.

Показания для проведения процедуры

На сегодняшний день электроэнцефалография продолжает широко применяться в практике невропатолога для решения целого ряда задач.

Так, проведение ЭЭГ рекомендуется:

1. При затяжной бессоннице и других расстройствах сна, в том числе при апноэ, хождении и говорении во сне.
2. При судорожных приступах.
3. При заболеваниях щитовидной железы.
4. Если есть признаки нарушения развития у детей или признаки психических отклонений у взрослых.
5. После недавно пережитых черепно-мозговых травм.
6. При обнаруженных в ходе УЗИ патологических изменениях сосудов шеи и головы, опухолях мозга.
7. При частых мигренях, жалобах на регулярные головокружения, непроходящей усталости.
8. При панических атаках, аутизме, синдроме Аспергера, заикании, нервном тике, задержке речевого и психического развития у детей.
9. При менингитах, энцефалитах, после инсульта и микроинсульта.
10. После нейрохирургических операций.

Подготовка к процедуре у взрослых

Накануне обследования из рациона полностью исключаются тонизирующие продукты и жидкости – чай, кофе, газировка, шоколад, алкогольные напитки.

В направлении может быть указано, что ЭЭГ будет проводиться с пробой. В таком случае пациенту необходимо воздерживаться от сна сутки или 1,5 суток. Продолжительность устанавливается врачом исходя из возраста обследуемого.

Основные правила подготовки для взрослых пациентов в день обследования:

1. Принимать пищу можно за 2 часа до прикрепления датчиков.
2. Волосы должны быть чистыми, исключается применение в прическе лака или геля.
3. Необходимо снять сережки и пирсинг перед процедурой, а лучше оставить их дома.
4. Курение допускается за 2 часа до диагностики.
5. Людям с длинными волосами следует взять с собой платок или бумажные салфетки для удаления остатков геля, используемого для прикрепления электродов.

Приостанавливать прием противоэпилептических лекарств не нужно. При необходимости обследования с их отменой, оно проводится в стационаре с круглосуточным пребыванием и по особым показаниям.

Цель ЭЭГ-видеомониторинга

Одной из разновидностей электроэнцефалографии является ЭЭГ-видеомониторинг. Это длительная, как правило, продолжающаяся в течение нескольких часов запись электроэнцефалографии, которая может проводиться во время сна. Продолжительность процедуры в каждом конкретном случае определяет лечащий врач и персонал лаборатории, которая проводит обследование.

ЭЭГ-видеомониторинг назначают в том случае, если короткая стандартная процедура не выявляет патологий, но они присутствуют.

Также этот вид обследования позволяет оценить ЭЭГ во время бодрствования и во сне.

Многих пациентов интересует вопрос о том, следует ли в обязательном порядке спать во время исследования. Ответ на этот вопрос не может быть однозначным, потому что зависит от конкретной ситуации. Так, например, если поводом для обследования является тик, беспокоящий пациента во время бодрствования, спать во время обследования нет необходимости.

В то же время, ЭЭГ-видеомониторинг во время сна иногда помогает выявить состояния, о которых ни пациент, ни его близкие могут даже не догадываться.

Особенностью этой процедуры является то, что проводится она может не только в дневное, но и в ночное время. В том случае, если требуется проведение ЭЭГ сна, ночной мониторинг является более рациональным. В дневное время заснуть без проблем могут далеко не все.

В то же время, не следует забывать о том, что проведение многочасовой процедуры в полностью изолированном помещении может быть крайне утомительным для пациента, особенно, если речь идет о ребенке. Большинство патологий можно выявить во время сравнительно непродолжительной записи обычной ЭЭГ.

Лучшие материалы месяца

• Коронавирусы: SARS-CoV-2 (COVID-19)
• Антибиотики для профилактики и лечения COVID-19: на сколько эффективны
• Самые распространенные «офисные» болезни
• Убивает ли водка коронавирус
• Как остаться живым на наших дорогах?

Также ночной ЭЭГ-видеомониторинг является намного более дорогостоящим.

Подготовка к процедуре у детей

Электроэнцефалограмма у детей имеет некоторые особенности:

• продолжительность обследования дольше по сравнению со взрослыми, так как необходимо снизить тревожность и напряженность ребенка во избежание искажения результатов;
• дошкольникам и школьникам младших классов ЭЭГ делают в период бодрствования или во сне (днем или ночью);
• у детей используют специальные шапочки с электродами, их размер регулируется исходя из парамтров головы;
• диагностику с длительным периодом бодрствования назначают только школьникам.

Как подготовиться:

1. Новорожденным обследование проводят сразу после кормления в состоянии покоя на руках у взрослого или на кушетке.
2. Для малышей, достигших 1 года – через 1 час после еды, но не позже, чем через 2,5 часа после кормления.
3. Не стоит накануне процедуры отменять лекарства от эпилепсии (только по согласованию с врачом).
4. Вымыть накануне волосы.
5. Родители должны объяснить безболезненность процедуры, предложить ребенку поиграть в космонавтов.

Историческая справка

Одним из основателей метода электроэнцефалографии считается физиолог и психиатр из Германии Ганс Бергер. В 1924 году, используя прибор для измерения малых токов под названием гальванометр, он первым провел некую процедуру, напоминающую запись ЭЭГ.

Позже для проведения электроэнцефалограммы был создан специальный прибор под названием энцефалограф. На сегодняшний день существуют стационарные энцефалографы, которые дают возможность проводить исследование исключительно в специальном кабинете, и портативные, которые можно перемещать.

Примечательно, что изначально ЭЭГ рассматривалась исключительно как метод, позволяющий выявить у человека психические нарушения. Лишь со временем ученые выяснили, что методика позволяет также обнаруживать отклонения, не связанные с психиатрией.

Как делают энцефалографию

Пройти обследование можно в неврологическом отделении, отделении функциональной диагностики или в специальном медцентре.

Для проведения ЭЭГ используют специальные датчики, их соединяют с электроэнцефалографом. Электроды смазывают специальным составом для наилучшего контакта с кожей.

Полученные импульсы прибор усиливает и фиксирует на бумажном носителе или в компьютере.

Обследование длится около 30 минут. Пациент должен находиться в сидячем и расслабленном положении.

Во время процедуры могут проводиться пробы, предусматривающие:

• открытие и закрытие глаз;
• частое и глубокое дыхание;
• подачу звука и света с определенной частотой.

На завершающем этапе на протяжении нескольких минут делают запись в состоянии покоя. Именно в этот период в энцефалограмме фиксируются отсроченные патологические изменения.

При диагностике и лечении эпилепсии ЭЭГ проводят во время приступа. После госпитализации прекращают прием противосудорожных препаратов, при этом ведут суточное наблюдение за больным, а ЭЭГ снимают одновременно с видео- и аудиофиксацией.

Значимость ЭЭГ

ЭЭГ — высокоинформативный метод диагностики, выполняющий огромное количество функций. Электроэнцефалограмма предоставляет возможность:

1. Оценить, какой характер носят нарушения работы мозга и насколько они выражены.
2. Выявить сторону патологического очага.
3. Уточнить сведения, полученные во время других диагностических процедур (например, компьютерной томографии).
4. Проследить, насколько действенной является терапия.
5. Выявить участки мозга, в которых присутствует эпилептическая активность.
6. Оценить работу мозга в периоды между приступами.
7. Выявить причины панических атак и обмороков.
8. Изучить цикл сна и бодрствования.

Следует учитывать тот факт, что, если у человека наблюдаются судорожные приступы, исследование будет информативным исключительно в том случае, если его провести примерно через неделю.

Разновидности методик исследования

Используются несколько методов исследования ЭЭГ:

• рутинный;
• с депривацией;
• длительный;
• ночной.

В зависимости от длительности и цели компьютерная энцефалография делится на виды:

1. Электроэнцефалограмма мозга — применяется на первичных этапах обследования. Записывается как фоновая активность, так и с нагрузочными пробами (гипервентиляция, резкие звуки, вспышки света).
2. ЭЭГ-мониторинг — продолжительная запись мозговой активности. Применяется, когда необходимо охватить все возможные физиологические состояния ЦНС (сон, бодрствование, умственная работа, эмоции).
3. Реоэнцефалография — исследование сосудов головного мозга. Диагностика основана на записи изменяющейся величины электрического сопротивления тканей при пропускании через них слабого тока высокой частоты. Дает информацию о тонусе и эластичности сосудистой стенки, величине пульсового кровенаполнения.

Рутинный метод

Рутинный метод заключается в кратковременной (приблизительно 15 минут) записи биопотенциалов мозга. Это необходимо чтобы исследовать и оценить доминирующие ритмы, наличие патологических потенциалов и пароксизмальной активности.

Также проводятся функциональные пробы, при которых будет оцениваться реакция на:

• открытие — закрытие глаз;
• сжимание кулака;
• гипервентиляцию — форсированное дыхание;
• фотостимуляцию — мигание светодиодов при закрытых глазах;
• резкие звуки.

На видео продемонстрировано ЭЭГ с функциональными пробами. Снято каналом «Клиника доктор САН».

Энцефалография с депривацией

Энцефалография с депривацией проводится при полном или частичном лишении сна. Определяет эпилептическую активность в ситуациях, которые не возникали во время провокационных проб.

Пациент или не спит всю ночь, или просыпается на 2–3 часа раньше обычного. Не ранее, чем через сутки после первоначального пробуждения будет проводиться рутинная ЭЭГ.

Длительная запись ЭЭГ

Длительная регистрация показателей во время сна часто проводится после ЭЭГ с депривацией, поскольку сон является мощным активатором для выявления эпиактивности.

Только при проведении ЭЭГ сна можно провести дифференциальную диагностику эпилепсии с когнитивными нарушениями. Поэтому такой вид обследования назначают, если врач подозревает, что изменения в головном мозге происходят именно пока пациент спит.

Ночное ЭЭГ

Запись ночного ЭЭГ происходит в условиях стационара таким образом:

• начинается за несколько часов до сна;
• охватывает период засыпания и весь ночной сон;
• заканчивается после естественного пробуждения.

При необходимости дополнительно проводится:

• видеомониторинг;
• электроокулография (ЭОГ);
• запись кардиограммы (ЭКГ);
• электромиограммы (ЭМГ);
• спирография.

Расшифровка результатов

Интерпретаций должны заниматься специалисты. Потому как самостоятельно разобраться непросто.

Вот конкретный пример заключения врача-диагноста по ЭЭГ пациента:

Если переводить с медицинского на русский, это негрубые нарушения работы головного мозга. Разберемся по порядку.

• Альфа-ритмы регистрируются при диагностике преимущественно, поскольку они отвечают за состояние пациента во время расслабления. Норма по частоте составляет 8-13 Гц (у нас — 6-7).
• Что касается мкв, то показатель не более 100. Имеют место мягкие отклонения от адекватной границы.
• Дезорганизация может быть как приемлемым вариантом (при усталости, стрессе), так и результатом патологии на фоне расстройств кровотока.
• РФС — это ритмическая фотостимуляция. Перед глазами пациента водят специальными диодами, раздражая церебральные структуры. В нашем случае показатели повысились незначительно, в пределах нормы. Это исключает эпилепсию (которую ищут первой).

Реакция в затылочных отведениях в рамках желательного, поскольку именно здесь расположена зрительная кора, конечный сегмент визуального анализатора.

• ГВ — это гипервентиляция. То есть еще один функциональный тест. Замена альфа-ритма обусловлена постепенным расслаблением сосудов, что также объяснимо с анатомической точки зрения насыщением организма кислородом, изменением кислотности крови.

В любом случае, расшифровка показателей ЭЭГ ложится на плечи врача, основывается на исследовании ритмов разных типов, их частоты и интенсивности, результатов функциональных проб.

Этапы

Алгоритм проведения рутинной ЭЭГ:

1. Пациент садится на стул или укладывается на кушетку, расслабляется, закрывает глаза.
2. Происходит наложение электродов на голову. Места контакта с кожей смазываются гелем или изотоническим раствором.
3. После включения аппарат начинает считывать информацию и передавать ее на монитор в виде графика. Таким образом записывается фоновая активность.
4. Проведение функциональных проб, необходимых для оценки реакции мозга на стрессовые для него ситуации.
5. Завершение процедуры. Электроды снимаются, доктор делает описание и распечатку результатов.

Что такое ЭЭГ и зачем она нужна

Ученые любят искать первое упоминание своей науки. К примеру, я видел статью, где всерьез утверждалось, что первые опыты по электрической стимуляции мозга были проведены в Древнем Риме, когда кого-то ударил током электрический угорь. Так или иначе, обычно, историю электрофизиологии принято отсчитывать примерно от опытов Луиджи Гальвани (XVIII век). В этом цикле статей мы попробуем рассказать небольшую часть того, что наука узнала за последние 300 лет про электрическую активность мозга человека, про то, какие профиты из всего этого можно извлечь.

Откуда берется электрическая активность мозга

Мозг состоит из нейронов и глии. Нейроны проявляют электрическую активность, глия тоже может это делать, но по-другому [], [], и мы на нее сегодня обращать внимания не будем.

Электрическая активность нейронов заключается в перекачивании между клеткой и окружающей средой ионов натрия, калия и хлора. Между нейронами сигналы передаются с помощью химических медиаторов. Когда медиатор, выделяемый одним нейроном, попадает на подходящий рецептор другого нейрона, он может открыть химически активируемые ионные каналы, и впустить в клетку небольшое количество ионов. В результате клетка немного меняет свой заряд. Если в клетку вошло достаточно много ионов (например, сигнал пришел одновременно на несколько синапсов), открываются другие ионные каналы, зависимые от напряжения (их больше), и клетка за считанные миллисекунды активируется целиком по принципу “все или ничего”, после чего возвращается в прежнее состояние. Этот процесс называется потенциалом действия.

Как ее можно зарегистрировать

Лучший способ записать активность отдельных клеток — воткнуть в кору электрод. Это может быть один провод, может быть матрица с несколькими десятками каналов, может быть штырь с несколькими сотнями, а может быть гибкая плата с несколькими тысячами (как тебе такое, илон маск ).

На животных это делают уже давно. Иногда по жизненным показаниям (эпилепсия, болезнь Паркинсона, полный паралич) делают на человеке. Пациенты с имплантами способны печатать текст силой мысли, управлять экзоскелетами, и даже контролировать все степени свободы промышленного манипулятора.

Выглядит впечатляюще, но в ближайшее время в каждую районную поликлинику, и, тем более, к здоровым людям, такие методы не придут. Во-первых, это очень дорого — стоимость процедуры для каждого пациента измеряется сотнями тысяч долларов. Во-вторых, имплантация электродов в кору — все-таки серьезная нейрохирургическая операция со всеми возможными осложнениями и поражением нервной ткани вокруг импланта. В-третьих, сама технология несовершенна — непонятно, что делать с тканевой совместимостью имплантов, и как предотвратить их обрастание глией, в результате чего нужный сигнал со временем перестает регистрироваться. Кроме того, обучение каждого пациента использованию импланта может занимать больше года ежедневных тренировок.

Можно не втыкать провода глубоко в кору, а аккуратно положить на нее — получится электрокортикограмма. Тут сигнал отдельных нейронов уже не зарегистрировать, но можно увидеть активность очень маленьких областей (общее правило — чем дальше от нейронов, тем хуже пространственное разрешение метода). Уровень инвазивности ниже, но все равно нужно вскрывать череп, поэтому этот метод используется в основном для контроля во время операций.

Можно положить провода даже не на кору, а на твердую мозговую оболочку (тонкий череп, который находится между мозгом и настоящим черепом). Тут уровень инвазивности и возможных осложнений еще ниже, но сигнал все еще довольно качественный. Получится эпидуральная ЭЭГ. Всем хорош метод, однако, тут все равно нужна операция.

Наконец, минимально инвазивный метод исследования электрической активности мозга — электроэнцефалограмма, а именно, запись с помощью электродов, которые находятся на поверхности головы. Метод самый массовый, сравнительно дешевый (топовые приборы стоят не дороже нескольких десятков тысяч долларов, а большинство в разы дешевле, расходники практически бесплатны), и имеет самое высокое временное разрешение из неинвазивных методов — можно изучать процессы восприятия, которые занимают считанные миллисекунды. Недостатки — низкое пространственное разрешение и шумный сигнал, который, однако, содержит достаточное количество информации для некоторых медицинских и нейроинтерфейсных целей.

На картинке с потенциалом действия видно, что у кривой есть две основных части — собственно, потенциал действия (большой пик) и синаптический потенциал (маленькое изменение амплитуды перед большим пиком). Логично было бы предположить, что то, что мы регистрируем на поверхности головы, является суммой потенциалов действия отдельных нейронов. Однако, на деле все работает наоборот — потенциал действия занимает около 1 миллисекунды и, несмотря на высокую амплитуду, через череп и мягкие ткани не проходит, а вот синаптические потенциалы за счет большей длительности, хорошо суммируются и регистрируются на поверхности черепа. Это было доказано с помощью одновременной записи инвазивными и неинвазивными методами. Также важно, что активность не каждого нейрона может быть зарегистрирована с помощью ЭЭГ (подробнее тут).

Важно, что в мозге находится около 86 миллиардов нервных клеток (о том, как это можно с такой точностью посчитать, читайте тут), и активность одного нейрона в таком шуме считать невозможно. Однако, какую-то информацию все равно вытащить можно. Представьте себе, что вы стоите в центре футбольного стадиона. Пока фанаты просто шумят и разговаривают между собой, вы слышите равномерный гул, но как только даже небольшая часть присутствующих начинает скандировать кричалку, ее уже можно довольно отчетливо расслышать. Точно так же и с нейронами — на поверхности черепа можно увидеть осмысленный сигнал, только если сразу большое количество нейронов проявляют синхронную активность. Для неинвазивной ЭЭГ это примерно 50 тысяч синхронно работающих нейронов.

Впервые идея померить напряжение на голове человека была реализована в 1924 году довольно интересной личностью. Первая запись ЭЭГ выглядела вот так:

Сложно понять, что означает этот сигнал, но сразу видно, что он не похож на белый шум — в нем заметны веретена колебаний высокой амплитуды и отличающейся частоты. Это альфа-ритм — самый заметный ритм мозга, который можно увидеть невооруженным взглядом.

Сейчас, конечно, ритмы ЭЭГ анализируются не на глаз, а математическими методами, самые простые из которых — спектральные.

Разбитый на полосы спектр Фурье электроэнцефалограммы (источник)

Всего есть несколько полос, в которых обычно анализируют ритмическую активность ЭЭГ, вот самые популярные:

8-14 Гц — Альфа-ритм. Представлен в основном в затылочных зонах. Сильно увеличивается при закрытии глаз, также подавляется при умственном напряжении и увеличивается при расслаблении. Этот ритм производится, когда возбуждение циркулирует между корой и таламусом. Таламус — своего рода маршрутизатор, который решает, как перенаправлять в кору потоки входящей информации. Когда человек закрывает глаза, ему становится нечего делать, он начинает генерировать фоновую активность, которая и вызывает альфа-ритм в коре. Кроме того, важную роль играет default mode network — сеть структур, которые активны во время спокойного бодрствования, но это уже тема для отдельной статьи.

Разновидность альфа-ритма, с которой его легко перепутать — мю-ритм. Он имеет схожие характеристики, но регистрируется в центральных областях головы, где находится моторная кора. Важная особенность — его мощность уменьшается, когда человек двигает конечностями, или даже думает о том, чтобы это сделать.

14-30 Гц — Бета-ритм. Больше выражен в лобных долях мозга. Увеличивается при умственном напряжении.

30+ Гц — Гамма-ритм. Может быть, где-то внутри мозга он и есть, но большая часть того, что можно записать с поверхности, происходит от мышц. Выяснили это следующим образом:

Нужно каким-то образом убрать мышечную активность с головы, чтобы записать ЭЭГ с мышцами и без. К сожалению, нет простого способа отключить мышцы на голове, не отключив их во всем теле. Берем ученого (никто другой на такое бы не согласился), накачиваем его миорелаксантом, в результате чего у него отключаются все мышцы. Проблема — если отключить все мышцы, в том числе диафрагму и межреберные, то он не сможет дышать. Решение — кладем его на ИВЛ. Проблема — он еще и говорить без мышц не может. Решение — наложим ему на руку жгут, чтобы туда не попадал миорелаксант, тогда он может этой рукой подавать сигналы. Проблема — если затянуть эксперимент, то рука отвалится. Решение — прекращаем эксперимент когда ученый перестает чувствовать руку, и надеемся, что все закончится хорошо. Результат — доля в спектре частот ЭЭГ больше 20 Гц на фоне миорелаксанта становится меньше в 10-200 раз, чем выше частота, тем выше падение.

1-4 Гц — Дельта-ритм. Выражен во время фазы, внезапно, дельта-сна (самый глубокий сон), также повышается при стрессе.

Кроме ритмической активности, в ЭЭГ есть еще вызванная. Если мы точно знаем, в какой момент мы показываем человеку стимул (это может быть картинка, звук, тактильное ощущение и даже запах), мы можем посмотреть, какая была реакция именно на этот стимул. Соотношение сигнал-шум такого ответа по отношению к фоновой ЭЭГ довольно низкое, но если мы покажем стимул, к примеру, 10 раз, нарежем ЭЭГ относительно момента предъявления и усредним, то можно получить довольно подробные кривые, которые называют вызванными потенциалами (не путать с потенциалами действия).

Это вызванный потенциал на звук. Подробности оставим психофизиологам — тут нам достаточно понимать, что каждый экстремум что-то да означает. При достаточном усреднении будут видны ответы структур начиная от слухового нерва (I) и заканчивая ассоциативной корой (P2).

Что с ней можно сделать

Сделать можно много чего, но сегодня мы сконцентрируемся на нейрокомпьютерных интерфейсах. Это системы анализа ЭЭГ в реальном времени, которые позволяют отдавать компьютеру или роботу команды без помощи мышц — самое близкое к телекинезу, что может предоставить современная наука.

Самое очевидное, что приходит в голову — сделать интерфейс на ритмической активности. Мы же помним, что альфа-ритма мало, когда человек напряжен, и много, когда он расслаблен? Вот и расслабляйтесь. Пишем ЭЭГ, делаем преобразование Фурье, когда мощность в окне вокруг 10 герц стала выше определенного порога, зажигаем лампочку — вот и контроль компьютера силой мысли. Тот же принцип может позволить управлять другими ритмами. За счет простоты и нетребовательности к оборудованию появилось достаточно много игрушек, работающих на этом принципе — Neurosky, Emotiv, тысячи их. В принципе, если хорошо постараться, человек может научиться приходить в нужное состояние, которое будет правильно классифицироваться. Проблема потребительских девайсов в том, что они часто пишут не очень качественный сигнал, и поголовно не умеют вычитать артефакты от движения глаз и мимических мышц. В результате появляется реальная возможность научиться управлять мышцами и глазами, а не мозгом (а подсознание работает так, что чем больше стараться этого не делать, тем хуже будет получаться). Кроме того, само соотношение сигнал-шум в ритмах довольно низкое, и интерфейс работает медленно и неточно (если получится правильно угадать состояние с точностью больше 70% — это уже достижение). Да и научная база по состояниям кроме расслабления и концентрации, мягко говоря, зыбкая. Тем не менее, при правильной реализации метод может иметь свое применение.

Важный подвид интерфейсов на ритмах — представление движений. Тут человеку предлагается не воображать что-то абстрактно расслабляющее, а представлять движение, скажем, правой руки. Если делать это правильно (а научиться правильному представлению сложно), можно выявить снижение мю-ритма в левом полушарии. Точность таких интерфейсов тоже крутится вокруг 70%, но они находят свое применение в тренажерах для восстановления после инсультов и травм, в том числе при помощи различных экзоскелетов, поэтому они все равно нужны.

Другой класс ЭЭГ-нейроинтерфейсов основывается на использовании вызванной активности всех сортов. Эти интерфейсы отличаются очень высокой надежностью, при удачном стечении обстоятельств приближающейся к 100%.

Самый популярный вид нейроинтерфейсов включает в себя потенциал Р300. Он возникает тогда, когда человек пытается выделить один нужный ему стимул среди многих ненужных.

К примеру, если вот тут пытаться посчитать, сколько раз загорится буква “А”, и при этом не обращать внимания на все остальные, то в ответ на этот стимул при усреднении мы увидим красную линию, а при усреднении всех остальных — синюю. Разница между ними заметна невооруженным взглядом, и обучить классификатор, который будет их различать, не составляет особого труда.

Такие интерфейсы обычно не очень красивые, и не очень быстрые (печать одной буквы займет около 10 секунд), но могут быть полезны полностью парализованным пациентам.

Кроме того, в ИМК-Р300 есть когнитивный компонент — мало просто смотреть на букву, надо активно обращать на нее внимание. Это позволяет, при выполнении определенных условий, делать на этой технологии довольно интересные игры (но это тема для другой статьи).

За счет того, что Р300 это когнитивный потенциал, для него не очень важно, что, собственно, показывают человеку, главное, чтобы он мог на это реагировать. В результате интерфейс будет работать, даже если буквы будут сменять друг друга в одной точке — это полезно для пациентов, которые не могут двигать глазами.

Есть и другие интересные вызванные потенциалы, в частности SSVEP (ЗВПУС) — потенциалы стабильного состояния. Если искать аналогии в области связи, то Р300 работает как рация — сигналы от разных стимулов разделяются по времени, а SSVEP это классический FDMA — разделение по несущей частоте, как в GSM-связи.

осторожно, эпилептические мигалки

Нужно показать человеку несколько стимулов, которые мигают с разными частотами. При выборе стимула, на него достаточно внимательно посмотреть, и через несколько секунд его частота магическим образом окажется в зрительной коре, откуда ее можно вытащить корреляционными или спектральными методами. Это быстрее и проще, чем считать буквы для Р300, но долго смотреть на такое мигание тяжело.

Там, где есть FDMA, там самое место CDMA:

осторожно, еще более эпилептические мигалки

Серое — бинарная последовательнсть, цветное — вызванная ей активность во всех каналах, карта — распределение выраженности потенциала в ЭЭГ. Видно, что максимум на затылке — в зрительных областях

Можно модулировать мигание стимулов не частотами и фазами, а ортогогнальными бинарными последовательностями, которые точно так же окажутся в зрительной коре и отклассифицируются с помощью корреляционного анализа. Это может помочь немного оптимизировать обучение классификатора и ускорить работу интерфейса — на одну букву может уходить меньше 2 секунд. За счет удачного выбора цветов можно сделать интерфейс чуть менее вырвиглазным, хотя полностью от мигания избавиться не получится. К сожалению, когнитивный компонент тут не так сильно выражен — отслеживание движений глаз дает сопоставимые результаты, но технически проще, дешевле и удобнее.

Когда я говорю о том, насколько хорошо могут работать те или иные типы интерфейсов, приходится постоянно оперировать соотношением сигнал-шум. Действительно, вызванные потенциалы имеют низкую амплитуду — около 5 микровольт, при том, что фоновый альфа-ритм запросто может иметь амплитуду в 20. Такой слабый сигнал кажется довольно сложным для классификации, но на самом деле все это довольно просто, если правильно поставить эксперимент и хорошо записать ЭЭГ. Сейчас большинство академических исследований сосредоточено в области придумывания новых классификаторов, в том числе применения нейросетей, но довольно хорошего уровеня можно достигнуть уже с самыми простыми линейными классификаторами из scikit-learn. К примеру, хороший датасет с Р300 и кодом лежит здесь.

Нейрокомпьютерные интерфейсы — развивающаяся технология, выглядит как магия, особенно для неподготовленного человека. Однако в реальности это метод, в котором много неочевидных сложностей. Секрет здесь, как и с любой технологией, заключается в том, чтобы учитывать все ограничения и находить такие сферы ее применения, в которых эти ограничения не мешают работе.