ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 2, с. 159-165
ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (ПСИХИЧЕСКОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.821.2,612.821.8,617.3
ИЗМЕНЕНИЯ N200 И P300 КОМПОНЕНТОВ ПОТЕНЦИАЛОВ, СВЯЗАННЫХ С СОБЫТИЯМИ, ПРИ ВАРЬИРОВАНИИ УСЛОВИЙ ВНИМАНИЯ В СИСТЕМЕ BRAIN COMPUTER INTERFACE
© 2014 г. И. А. Басюл1, 2, А. Я. Каплан2
1Кафедра физиологии человека и животных биологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, 2Институт психологии РАН, Москва,
e-mail: akaplan@mail.ru Поступила в редакцию 30.05.2013 г.
Принята в печать 26.09.2013 г.
Проверяли гипотезу о том, что амплитуда компонентов P300 и N200 зрительных потенциалов, вызванных подсветками столбцов и строк символьной матрицы, зависит от характера задачи с привлечением внимания оператора к целевым символам-стимулам: 1) простое наблюдение за подсветками целевого символа; 2) наблюдение с подсчетом числа этих подсветок и контролем успешности этой работы; 3) наблюдение за подсветками целевого символа с выводом его на экран в каждом случае успешной детекции внимания испытуемого к этому символу по ЭЭГ в контуре интерфейса мозг—компьютер. На группе испытуемых из 17 человек было показано, что максимальные значения амплитуд компонентов P300 и N200 зрительных потенциалов статистически значимо достигались во втором режиме привлечения внимания оператора, не требующем включения в контур интерфейса мозг—компьютер. Именно для второго условия наблюдалось и наибольшее число случаев статистически значимого различия между амплитудами компонентов P300 и N200 зрительных потенциалов, вызванных подсветками целевых и нецелевых символов. В то же время наименьшие величины амплитуд этих компонентов и наименьшее различие между реакциями на целевые и нецелевые стимулы были показаны в условиях простого наблюдения за подсветками целевых символов. Делается вывод, что успешная работа оператора в контуре интерфейса мозг—компьютер не требует максимальной выраженности компонентов P300 и N200 зрительных потенциалов, которые, скорее всего, начинают оптимизироваться в контуре интерфейса мозг—компьютер под задачу управления внешними процессами, например, для вывода целевых символов на экран компьютера.
Ключевые слова: интерфейс мозг-компьютер, биоуправление, вызванные потенциалы, P300, внимание, человек-оператор, N200.
Dependence N200 and P300 ERPs in P300-based Brain—Computer Interface
on the Variations of Voluntary Attention
I. A. Basyul, A. Ya. Kaplan
Lomonosov Moscow State University, Institute of Psychology, Russian Academy of Sciences, Moscow, e-mail: akaplan@mail.ru
Hypothesis about dependence P300 and N200 potentials evoked by flashes of rows and columns of the stimulation matrix on type of the task and voluntary attention was evaluated. We tested three types of the task: 1) just look at target symbol; 2) look at the target symbol, count its flashes and report the amount of flashes after finishing the task; 3) type target symbol in P300-based brain-computer interface (BCI). In 17 subjects research we showed that maximum amplitudes of P300 and N200 ERPs was occurred in the second type of the task ("look at and count flashes"). Also in this type of task we observed most of all cases statistically reliable difference between target and nontarget P300 and N200 ERPs. Lowest amplitudes of ERPs and number of cases of statistically reliable differences between target and nontarget
were showed in the first type of the task ("just look at the symbol"). So we assume that succesfull working in P300-based BCI doesn't need the maximum amplitudes of the relevent ERPs but most depend on spatiotemporal complex of these potentials.
Keywords: brain-computer interface, event-related potentials, P300 wave, N200 wave; biocontrol, attention; human operator.
DOI: 10.7868/S004446771402004X
Интерфейс мозг—компьютер (ИМК) — это новая парадигма психофизиологического исследования, в рамках которой конкретные показатели ЭЭГ с помощью программно-аппаратных решений преобразуются в команды управления для внешних исполнительных устройств. Таким образом, эти внешние устройства становятся объектами прямого динамического управления от мозга с заданной целевой функцией, например набрать на экране задуманный текст, переместить в пространстве захват манипулятора или выполнить конкретное движение парализованной конечностью с помощью управляемой от ЭЭГ экзоскелетной конструкции [Фролов и др., 2013; Vidal, 1977; Wolpaw et al., 1991]. Фокусируя внимание на конкретных внешних стимулах или внутренних образах, пользователь ИМК способствует появлению на уровне ЭЭГ специфичных этим стимулам ЭЭГ-паттернов, которые и преобразуются в командные сигналы для коммуникации и управления без участия нервов и мышц [Wolpaw et al., 2002].
Одной из первых и наиболее эффективных до настоящего времени реализаций ИМК является набор текста "буква за буквой", управляемый волной P300зрительного вызванного потенциала [Farwell, Donchin, 1988]. Эта технология основывается на хорошо известном одд-бол-эффекте, когда повышенное внимание испытуемого к одному из стимулов проявляется в увеличении волны P300 связанных с событиями потенциалов мозга (ССП) [Krusienski et al., 2008]. Если на экране расположить матрицу из n х n символов, подсвечиваемых по отдельности в разные моменты времени, то среди ССП на подсветку каждого из этих символов можно выделить ту единственную реакцию с максимальной амплитудой волны Р300, которая укажет на символ матрицы, привлекший внимание оператора [Ганин и др., 2012; Каплан и др., 2013; Михайлова и др., 2008].
Технология "мысленного" выбора букв алфавита или командных символов пульта
управления посредством ИМК-P300 имеет хорошую перспективу для применения, прежде всего в медицине. В частности, такие ИМК-коммуникаторы позволяют восстановить общение с пациентами категории "lock-in", т.е. полностью лишенными возможности каких-либо мышечных действий. Кроме того, на основе этой технологии ведется разработка управляемых от ИМК тренажерных систем, протезов и экзопротезов для восстановления или замещения двигательных функций, например у постинсультных пациентов или у инвалидов с отсутствием конечностей [Ortner et al., 2011; Piccione et al., 2006].
В последнее время было показано, что определенный вклад в распознавание заинтересованности человека-оператора в том или ином символе стимульной матрицы ИМК может иметь не только волна P300, связанная с вниманием человека к целевому стимулу, но и компонент N200 ССП [Shishkin et al., 2009], выраженность которого зависит скорее от фиксации взора на целевом стимуле, чем от привлечения внимания к нему [Frenzel et al., 2011; Treder, Blankertz, 2013]. Поэтому при работе оператора в контуре ИМК, где целевой стимул одновременно является объектом фиксации взора и избирательного внимания, успех алгоритмической детекции локуса интереса человека в символьной матрице может быть более гарантированным, если учитывать оба компонента ССП.
Однако в силу различия нейрофизиологических механизмов этих компонентов зрительных ССП остается не ясным, насколько различается динамика амплитуд этих компонентов при различных условиях привлечения внимания оператора к целевому стимулу и не существуют ли оптимальные условия, при которых оба компонента вызыванного потенциала (ВП) достигают наибольшей амплитуды и наилучшим образом различаются для целевых и нецелевых стимулов.
Конкретной задачей настоящей работы был сравнительный анализ компонентов
N200 и Р300 зрительного ССП у операторов ИМК-Р300 в трех парадигмах привлечения его внимания к целевому стимулу: 1) только при наблюдении за подсветками целевого символа; 2) при наблюдении за подсветками с подсчетом их числа за всю сессию и контролем успешности этой работы; 3) при наблюдении за подсветками целевого символа с выводом его на экран в каждом случае успешной детекции по ЭЭГ фокуса внимания испытуемого к этому символу в контуре интерфейса мозг—компьютер (ИМК).
МЕТОДИКА
В исследовании приняли участие 17 испытуемых в возрасте от 18 до 30 лет. Все испытуемые подписали Информированное согласие об участии в исследовании после объяснения его целей и регламента. Каждому испытуемому предлагали работать в трех режимах. Сти-мульная среда во всех режимах работы была одинаковой: на экране компьютера была представлена матрица из 36 ячеек, в каждой из которых были размещены символы (33 буквы алфавита и 3 служебные команды). Стимулами служили подсветки строк и столбцов символьной матрицы продолжительностью 180 мс, интервал между окончанием одной подсветки и началом следующей — 100 мс. В одном цикле стимуляции каждый столбец и каждая строка подсвечивались по 5 раз в случайной последовательности. Перед каждым циклом стимуляции испытуемому сообщалось, какой символ матрицы назначается целевым.
В каждом из трех режимов работы оператора ему предлагали отработать девять циклов стимуляции. Режимы работы оператора различались типом инструкции в отношении работы с целевым стимулом и наличием обратной связи в процессе тестирования.
В первом режиме ("Наблюдение") от испытуемых требовалось в каждом цикле тестирования просто смотреть на заданный экспериментатором целевой символ и стараться не отвлекаться на подсветки других символов. Испытуемые не были ориентированы на какой-либо критерий успешности в работе по наблюдению целевых символов.
Во втором режиме ("Счет") стимульная среда была той же самой, что и в режиме "Наблюдение", однако испытуемому предлагали не просто наблюдать за целевым стимулом, но еще и подсчитывать число его подсветок в
рамках каждого цикла стимуляции. По завершении цикла стимуляции испытуемый давал отчет о числе подсчитанных им целевых стимулов. В конце всего тестирования испытуемым сообщали итоговый результат для сравнения, насколько его подсчеты совпадали с реальным числом подсветок соответствующих символов. Таким образом, у испытуемых было некоторое подкрепление их работы за девять циклов, но оперативная обратная связь по результатам их деятельности в каждом цикле тестирования отсутствовала.
Наборы запис
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.