21 октября 2019, понедельник, 02:45
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

12 марта 2018, 12:48

Энцефалограмма отличает реальные и воображаемые движения

Фото: Владимир Максименко
Ученые выявили закономерности поведения нейронов головного мозга, которые связаны с двигательной активностью человека, как реальной, так и воображаемой. Наблюдения могут быть использованы для создания интерфейсов «мозг – компьютер» для управления сложными техническими объектами или робототехническими комплексами, например, экзоскелетами для реабилитации и восстановления пациентов с тяжелыми поражениями нервной системы после инсультов. Результаты исследования опубликованы в Nonlinear Dynamics. Исследование поддержано грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
 
В рамках проекта сотрудники научно-образовательного центра «Системы искусственного интеллекта и нейротехнологии» Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Гагарина и их коллеги из Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского и Мадридского политехнического университета совершенствуют технологии адаптивного интеллектуального управления биоморфными и антропоморфными роботами на основе методов и подходов нелинейной динамики. Эти роботы могут самоорганизовываться и самообучаться. Ученые исследуют механизмы работы нервной системы, в особенности головного мозга человека. В перспективе это позволит разработать новые принципы работы систем, моделирующих работу человеческого мозга. Это позволит адаптивно управлять движениями робототехнических устройств, в том числе человекоподобными роботами.
 
Ученые ищут закономерности в процессах, которые протекают в головном мозге и связаны с управлением двигательными функциями (движениями рук и ног). Для этого исследователи провели эксперимент: регистрировали электрическую активность мозга (данные электроэнцефалографии – ЭЭГ) во время выполнения человеком реальных движений и воображаемой двигательной активности. Анализ полученных сигналов ЭЭГ проводился на основе эффективной методики частотно-временного анализа – непрерывного вейвлетного преобразования. Это математическая функция, которая позволяет проанализировать динамику различных частотных компонент данных.
Когда миллионы нейронов реагируют одновременно, они производят электрические разряды. Эти разряды создают разные ритмы, которые формируют несколько групп, в зависимости от их частот. А распределение ритмов по частотам поддается наблюдению при помощи ЭЭГ.
 
На первом этапе исследования ученые проанализировали изменения энергии в частотных диапазонах мю (8-12 Гц) и бета (15-30 Гц), которые связаны с двигательной активностью в центральной и теменной областях мозга. Оказалось, что нейронная активность уменьшается в этих областях в случае движений рук и ног. Процессы, связанные с воображением движений, оказались намного сложнее: изменения частотно-временной структуры ЭЭГ были не систематичны и варьировались от испытуемого к испытуемому.
 
Детектирование реальных (слева) и воображаемых (справа) движений по
электроэнцефалограмме. Источник: Владимир Максименко
 
Воображение двигательной активности – нетипичная для человека задача. Поэтому, в отличие от более привычной реальной активности, при воображении движений нейронная сеть мозга не формирует устойчивый специальный схема-образ, связанный с этим движением.
 
«Для того чтобы у человека выработалась способность однозначно и успешно воображать то или иное движение и, как следствие, генерировать соответствующую нейронную активность, необходима регулярная тренировка. Подобная проблема актуальна в современной науке, в основном применительно к разработке интерфейсов «мозг – компьютер», где способность устойчиво генерировать определенную нейронную активность – это основа для функционирования интерфейса», – рассказал Владимир Максименко, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника» Института электронной техники и машиностроения Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина.
 
У тренированных людей во время воображения движений нейронная сеть мозга генерирует активность, схожую с той, что возникает при выполнении реальных движений. Однако в случае нетренированного человека структура сигналов ЭЭГ при воображении и выполнении движений различна. В случае реальных движений в группе испытуемых ученые получили общие закономерности, связанные с подавлением мю- и бета-ритмов, а в группе нетренированных испытуемых подобные закономерности не наблюдались.
 
Чтобы выявить общие особенности частотно-временной структуры сигналов ЭЭГ от воображаемых движений, исследователи рассмотрели динамику низкочастотных (<5 Гц) ритмов нейронной сети головного мозга. Роль низкочастотных ритмов мозга при воображаемой активности мало изучена. Это связано с тем, что этот диапазон содержит большое количество нежелательных сигналов, дефектов записи, так называемых физиологических артефактов, которые связаны, например, с движением глаз. Как правило, низкочастотные ритмы удаляют из рассмотрения на этапе предварительной фильтрации сигнала. В результате у всех испытуемых при попытке вообразить движения наблюдалась характерная модуляция низкочастотного ритма в лобных долях. Схожие эффекты происходят в мозгу в ходе процессов принятия решения и планирования.
 
«Полученные результаты мы использовали при разработке интеллектуальной системы, задача которой – автоматически классифицировать сигналы ЭЭГ, ассоциирующиеся с воображением различных движений. Мы оптимизировали параметры системы и добились высокой точности классификации сигналов – более 90%. Кроме того, обнаруженные особенности позволят, основываясь на анализе сигналов ЭЭГ, без предварительной тренировки, распознавать попытки человека воображать движения. Это может быть использовано для разработки интерфейсов «мозг – компьютер» для широкого пользования», – подытожил Максименко.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.