ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ «ИНТЕРФЕЙС МОЗГ – КОМПЬЮТЕР»
https://doi.org/10.20538/1682-0363-2013-2-21-29
Аннотация
Технология интерфейсов мозг – компьютер (ИМК) позволяет человеку научиться управлять внешними исполнительными устройствами посредством произвольной модификации собственной ЭЭГ напрямую от мозга без привлечения в этот процесс нервов и мышц. В начале основной целью разработки ИМК было замещение или восстановление моторных функций человека, страдающего нейромышечными расстройствами. В настоящее время задачи разработки ИМК значительно расширились, все более захватывая различные сферы жизни здорового человека. В статье рассматриваются теоретические, экспериментальные и технологические основания разработки ИМК, а также актуальные сферы реализации этих технологий.
Об авторах
А. Я. Каплан
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия
Каплан Александр Яковлевич – доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета
Россия
Каплан Александр Яковлевич – доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета
А. Г. Кочетова
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
Россия
Кочетова Арина Германовна – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета
Россия
Кочетова Арина Германовна – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов биологического факультета
С. Л. Шишкин
Национальный исследовательский центр Курчатовский институт, НБИКС Центр, Москва
Россия
Шишкин Сергей Львович – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Россия
Шишкин Сергей Львович – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
И. А. Басюл
Институт психологии РАН, Москва
Россия
Басюл Иван Андреевич – аспирант
Россия
Басюл Иван Андреевич – аспирант
И. П. Ганин
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия
Ганин Илья Петрович – аспирант биологического факультета
Россия
Ганин Илья Петрович – аспирант биологического факультета
А. Н. Васильев
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия
Васильев Анатолий Николаевич – аспирант биологического факультета
Россия
Васильев Анатолий Николаевич – аспирант биологического факультета
С. П. Либуркина
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Россия
Либуркина Софья Павловна – аспирант биологического факультета
Россия
Либуркина Софья Павловна – аспирант биологического факультета
Список литературы
1. Базанова О.М., Штарк М.Б. Оптимизации психомоторной реактивности. Сообщение I. Сравнительный анализ биоуправления и обычной исполнительской практики // Физиология человека. 2007. Т. 33 (4). C. 24–32.
2. Джафарова О.А., Донская О.Г., Зубков А.А., Штарк М.Б. Игровое биоуправление как технология профилактики стрессзависимых состояний // Биоуправление-4. Теория и практика. Новосибирск, 2002. С. 86–96.
3. Ганин И.П., Шишкин С.Л., Кочетова А.Г., Каплан А.Я.Интерфейс мозг-компьютер «на волне P300»: исследование эффекта номера стимулов в последовательности их предъявления // Физиология человека. 2012. Т. 38, № 2. С. 5–13.
4. Каплан А.Я., Логачев С.А. Игра и способ ее ведения: пат. на изобретение № 2406554. От 14.07.2009.
5. Кочетова А.Г., Каплан А.Я. How far should we go in augmented humans: ethical aspects of BCI // Материалы 2-го междунар. симп. «Интерфейс „мозг-компьютер“». Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ, 2012. Т. 2. С. 61–64.
6. Штарк М.Б. Биоуправление: бег на месте или движение вперед? // Бюл. cиб. медицины. 2010. Т. 9, № 1. С. 5–6.
7. Штарк М.Б., Скок А.Б. Применение электроэнцефалографического биоуправления в клинической практике (обзор литературы) // Биоуправление-3: теория и практика /ред. М. Штарк, Р. Колл. Новосибирск, 1998. С. 130–141.
8. Allison1 B.Z., R Leeb R., Brunner C. et al. Toward smarterBCIs: extending BCIs through hybridization and intelligentcontrol // J. Neural. Eng. 2012. V. 9. P. 1–7.
9. Bayliss J.D., Ballard D.H. A virtual reality testbed for braincomputer interface research // IEEE Trans. Rehabil. Eng.2000. V. 8. P. 188–190.
10. Bensch M. et al. Nessi: an EEG controlled web browser forseverely paralyzed patients // Comput. Intell. Neurosci.2007. V. 5. Article ID 71863.
11. Birbaumer N., Murguialday A.R., Cohen L. Brain-computerinterface in paralysis // Curr. Opin. Neurol. 2008. V. 21. P. 634–638.
12. Donchin E., Spencer K.M., Wijesinghe R. The mental prosthesis: assessing the speed of a P300-based brain-computer interface // IEEE Trans Rehabil. Eng. 2000. V. 8 (2). P. 174–179.
13. Farwell L.A., Donchin E. Talking off the top of your head: toward a mental prosthesis utilizingevent-relatedbrain potentials // Electroenceph Clin. Neurophysiol. 1988. V. 70. P. 510–23.
14. Jeannerod M., Frak V. Mental imaging of motor activity in humans Current Opinion // Neurobiology. 1999. V. 9 (6).P. 735–739.
15. Hinterberger T., Veit R., Wilhelm B., Weiskopf N., VatineJ.J., Birbaumer N. Neuronal mechanisms underlying controlof a brain-computer interface // Eur. J. Neurosci. 2005. V. 21 (11). P. 3169–3181.
16. Höller Y., Bergmann J., Kronbichler M., et al. E. Realmovement vs. motor imagery in healthy subjects // Int. J. Psychophysiol. 2012. P. S0167–8760.
17. Kamiya J. Conscious control of brain wave // Psychol. Today. 1968. V. 1. P. 56–60.
18. Kaplan A.Ya., Lim J.J., Jin K.S. et al. Unconscious operant conditioning in the paradigm of brain-computer interface based on color perception // Intern. J. Neuroscience. 2005. V. 115. P. 781–802.
19. Kaplan A., Shishkin S., Ganin I., Basul I. The prospects of the P300-based brain-computer interface in game control // IEEE Transactions on Computational Intelligence and AI in Games 2013 (in press).
20. Kelly S.P., Lalor E.C., Finucane C., McDarby G., Reilly R.B. Visual spatial attention control in an independent brain– computer interface // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2005. V. 52 (9). P. 1588–1596.
21. Krusienski D., Sellers E., Cabestaing F. et al. A comparison of classification techniques for the P300 speller // J. of Neural Engineering. 2006. V. 6. P. 299–305,
22. Krusienski D.J., Schalk G., McFarland D.J., Wolpaw J.R. A mu-rhythm matched filter for continuous control of a braincomputer interface // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2007. V. 54 (2). P. 273–280.
23. Leeb R., Gubler M., Tavella M., Miller H., Del Millan J.R. On the road to a neuroprosthetic hand: a novel hand grasp orthosis based on functional electrical stimulation // ConfProc IEEE Eng Med Biol Society 2010. 2010. P. 146– 149.
24. Leeb R., Sagha H., Chavarriaga R., Del Millan J.R. A hybrid brain-computer interface based on the fusion of electroen cephalographic and electromyographic activities // J. Neural Eng. 2011. V. 8. Р. 1–5.
25. Lin Z., Zhang C., Wu W., Gao X. Frequency recognition based on canonical correlation analysis for SSVEP-based BCIs // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2006. V. 53 (12). P. 2610–2614.
26. Long J., Li Y., Wang H., Yu T., Pan J., Li F.. Ahybrid brain computer interface to control the direction and speed of a simulated or real wheelchair // IEEE Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng. 2012. V. 20 (5). P. 720–729.
27. Lopez Miguel A., Pelayo Francisco, Madrid Eduardo, Prieto Alberto. Statistical characterization of steady-state visual evoked potentials and their use in brain -computer interfaces // Neural. Process. Lett. 2009. V. 29. P. 179– 187.
28. Müller-Putz G.R. еt al. Brain-computer interfaces for control of neuroprostheses // Biomed. Tech., 2006. V. 51, P. 57–63.
29. Müller-Putz G.R., Breitwieser C., Tangermann M. et al. Tobi hybrid BCI: principle of a new assistive method // Interna tional Journal of Bioelectromagnetism. 2011. V. 13. № 3. P. 144–145.
30. Nicolas-Alonso L.F., Gomez-Gil J. Brain computer interfac es, a review // Sensors (Basel). 2012. V. 12 (2). P. 1211– 1279.
31. Pfurtscheller G. et al. Thought-control of functional electrical stimulation to restore hand grasp in a patient with tetraplegia // Neurosci. Lett. 2003. V. 351. P. 33–36.
32. Rak R.R.J., Kołodziej M., Majkowski A. Brain-computer in terface as measurement and controlsystem: the review paper // Metrol. Meas. Syst. 2012. V. 19. P. 427–444.
33. Wang Y., Jung T-P. A Collaborative brain-computer interface for improving human performance // PLoS ONE. 2011. V. 6 (5). Р. 1–4.
34. Salvaris M., Cinel C., Citi L., Poli R. Novel protocols for P300-based brain-computer interfaces // IEEE Trans. Neural. Syst. Rehabil. Eng. 2012. V. 20 (1). P. 8–17.
35. Sellers E.W., Vaughan T.M., Wolpaw J.R. A brain-computer interface for long-term independent home use // Amyotroph. LateralScler. 2010. V. 11. P. 455.
36. Silvoni S. et al. P300-based brain-computer interface communication: evaluation and follow-up in amyotrophic lateral sclerosis // Front. Neurosci. 2009. V. 3. P. 60.
37. Shishkin S.L., Ganin I.P., Kaplan A.Y. Event-related potentials in a moving matrix modification of the P300 braincomputer interface paradigm // Neuroscience Letters. 2011. V. 496 (2). P. 95–99.
38. Vidal J.J. Toward direct brain-computer communication // Annu. ReV. Biophys. Bioeng. 1973. V. 2. P. 157–180.
39. Vlek R.J., Steines D., Szibbo D., Kübler A., Schneider M.J., Haselager P., Nijboer F. Ethicalissues in brain-computer interface research, development, and dissemination // J. Neurol. Phys. Ther. 2012. V. 36 (2). P. 94–99
40. Wang D., Miao D., Blohm G. Multi-class motor imagery EEG decoding for brain-computer interfaces // Front Neurosci. 2012. V. 6. P. 151.
41. Williamson J. et al. Designing for uncertain, asymmetric control: interaction design for brain-computer interfaces // Int. J. Hum. Comput. Stud. 2009. V. 67. P. 827–841.
42. Wills S., and MacKay D. DASHER-an efficient writing system for brain-computer interfaces? // IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 2006. V. 14. P. 244–246.
43. Wolpaw J., Birbaumer N., McFarland D., Pfurtscheller G., Vaughan T. Brain-computer interfaces for communication and control // Clin. Neurophysiol., 2002.V. 113, P. 767– 791.
44. Wolpaw J.R. Brain-computer interfaces as new brain output pathways // The Journal of Physiology. 2007. V. 579 (3). P. 613–619.
Рецензия
Для цитирования:
Каплан А.Я., Кочетова А.Г., Шишкин С.Л., Басюл И.А., Ганин И.П., Васильев А.Н., Либуркина С.П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ «ИНТЕРФЕЙС МОЗГ – КОМПЬЮТЕР». Бюллетень сибирской медицины. 2013;12(2):21-29. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2013-2-21-29
For citation:
Kaplan A.Ya., Kochetova A.G., Shishkin S.L., Basyul I.A., Ganin I.P., Vasilev A.N., Liburkina S.P. EXPERIMENTAL AND THEORETICAL FOUNDATIONS AND PRACTICAL IMPLEMENTATION OF TECHNOLOGY BRAIN-COMPUTER INTERFACE. Bulletin of Siberian Medicine. 2013;12(2):21-29. (In Russ.) https://doi.org/10.20538/1682-0363-2013-2-21-29
Просмотров:
1032
Послать статью по эл. почте 