ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2014, том 40, № 4, с. 18-26
УДК 612.825.54
СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОНЕНТОВ ЗРИТЕЛЬНЫХ ВЫЗВАННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СИМВОЛЬНОЙ И БУКВЕННОЙ СТИМУЛИРУЮЩИХ МАТРИЦ В ПАРАДИГМЕ НЕЙРОКОМПЬЮТЕРНОГО ИНТЕРФЕЙСА © 2014 г. К. А. Салтыков, Е. Д. Барк, М. А. Куликов
Учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
E-mail: K_Saltykov@mail.ru Поступила в редакцию 14.02.2013 г.
Широко распространенные в настоящее время нейрокомпьютерные интерфейсы (НКИ), построенные на основе парадигмы P300 (Фаруэлла—Дончина), позволяющие побуквенно набирать текст сообщения, оказываются малоприменимы для клинических условий, так как процесс набора весьма утомителен. Предполагается что НКИ, основой которого является специально разработанная символьная матрица, может облегчить коммуникацию с пациентами. С целью создания такого НКИ, сравнивались характеристики зрительных вызванных потенциалов (ЗВП) на стимуляцию символьной и буквенной матрицами одинаковой размерности (6 х 6) знаков, составленными из букв кириллического алфавита и символов (пиктограмм). У девяти здоровых взрослых испытуемых в 18 опытах при стимуляции матрицами разного типа осуществлялась 28-канальная запись ЗВП. Сравнивались амплитуды и пиковые латентности следующих компонентов ЗВП: N1, P3 (с субкомпонентами P3a и P3b), N4.
Было выявлено, что для большинства испытуемых (не менее 7) у компонентов P3a, P3b, N4 амплитуда волн ЗВП в ответ на символьную матрицу в среднем больше, чем на буквенную. Обратное соотношение отмечено для компонента N1. Латентные периоды компонентов ЗВП короче для символьной матрицы, чем для буквенной, у компонентов N1 и P3a, и длиннее у компонентов P3b и N4. Был проведен анализ топографии различий ответов ЗВП на стимуляцию разными матрицами. Разность амплитуд компонентов ЗВП анализировалась отдельно по каждому из 28 отведений, затем по каждому отведению алгебраически суммировались модули значений парного t-теста для всех девяти испытуемых. Для амплитуд всех компонентов в случае пары значимые—незначимые буквы топография максимальных различий представляет собой две отдельные области, с четкой латерализацией. Для пары значимые—незначимые символы области максимальных различий ответов вытянуты в поперечном направлении. А для пары значимые буквы — значимые символы отмечается сложноор-ганизованная топография поверхности отклика.
Ключевые слова: зрительные вызванные потенциалы, буквы, символы, нейрокомпьютерный интерфейс, опознание.
DOI: 10.7868/S013116461403014X
В настоящее время получило широкое распространение использование биоэлектрических потенциалов мозга для управления техническими или программными устройствами. Эти устройства получили название нейрокомпьютерных интерфейсов (НКИ) в русскоязычной, или Brain-Computer-Interface (BCI) в англоязычной литературе. Наиболее распространенным типом таких устройств являются неинвазивные НКИ, использующие для формирования команд периферическим устройствам анализ пространственно-временных изменений потенциалов, полученных с помощью on-line обработки ЭЭГ [1, 2].
Одним из наиболее разработанных и высокорезультативных систем является НКИ, построенный на основе анализа волны Р300 зрительного вызванного потенциала (ЗВП), впервые реализованный Фаруэллом и Дончиным [3]. В основу идентификации значимой (задуманной испытуемым) буквы в таком НКИ был положен известный факт увеличения амплитуды волны Р300 на редкий значимый стимул по сравнению с частым незначимым. Классификация букв на значимые (задуманные испытуемым) и незначимые осуществляется с помощью специальной программы (классификатора), в результате работы которой компьютер идентифицирует задуманную испыту-
емым букву. Таким образом испытуемый с помощью НКИ может осуществлять побуквенный набор слов. Эта работа послужила началом большого числа методически сходных работ, которые объединены в рамках парадигмы Фаруэлла и Дончина, или ФД-парадигмы. Классическим для ФД-парадигмы является использование стимулирующих матриц, в которые группируются буквы для набора текстов. В этих работах элементами стимулирующей матрицы были буквы [3] и их комбинации (слова) [4]. В последние годы в нашей стране проводятся исследования в рамках ФД-парадигмы с использованием кириллического алфавита в стимулирующей матрице [5—7].
Побуквенный набор текстов или команд в НКИ на основе ФД-парадигмы является достаточно утомительным для оператора и занимает длительное время. Поэтому усилия разработчиков ФД-НКИ-систем были направлены на сокращение времени идентификации "набираемого" знака. Особенно это актуально для применения НКИ в клинике для коммуникации с пациентами [8—10]. Однако, увеличения эффективности НКИ, как нам представляется, можно достичь с помощью использования в матрице специально подобранных символов (пиктограмм), обозначающих определенные понятия или команды. Выбирая согласно методике ФД-парадигмы некоторый символ, пациент или оператор сможет управлять внешними периферическими устройствами (осуществляя вызов персонала, включение или выключение устройств и т.д.), не прибегая к по-буквенному набору сообщения. Этот метод коммуникации представляется более быстрым, удобным, и, в конечном счете, более эффективным, как для чисто бытового общения, так и для сложной операторской деятельности.
В настоящее время уже есть примеры НКИ-систем с использованием в качестве стимулов подсветки предметов [11] или математических символов [7, 12], которые подтверждают возможность использования небуквенных стимулов в рамках ФД-парадигмы. Но в этих работах небуквенные матрицы использовались в предварительном обучении классификатора для алфавитной матрицы и не были предназначены для самостоятельного использования. Ведутся также работы по адаптации методики Р300 для полностью парализованных пациентов, где для контроля окружающей среды в качестве стимулов предъявлялись фотографии бытовых электронных устройств [10].
В нашей лаборатории была разработана матрица, соразмерная уже применяемой кириллической, состоящая из символов (пиктограмм). Ранее мы показали возможность реализации НКИ на базе аппаратного комплекса ФД-парадигмы с использованием символьной матрицы [13]. Как в цитированной, так и в настоящей работе мы ис-
пользовали для анализа три компонента ЗВП: N1, Р3-комплекс и N4, отражающие процессы ключевых стадий обработки семантически нагруженных стимулов. Для всех трех компонентов ЗВП были обнаружены существенные различия в топографии распределения исследованных компонентов ЗВП при работе с символьной и буквенной матрицами, для детального изучения которых потребовалось специальное исследование.
Таким образом, задачей настоящей работы было детальное сравнение характеристик ЗВП на стимуляцию символьной и буквенной матрицей в рамках ФД-парадигмы.
МЕТОДИКА
Испытуемые — 9 взрослых здоровых человек (4 мужчины и 5 женщин) с нормальным зрением были проинформированы о целях исследования и порядке проведения эксперимента. Возраст испытуемых составлял от 23 до 37 лет, все правши с правым ведущим глазом.
Для стимуляции использовались стимуляци-онные матрицы двух типов. Буквенная матрица (рис. 1, А) уже использовалась многими исследователями [5, 6, 7]. Она представляет собой сгруппированные в виде прямоугольной матрицы 6 х 6 знаков — буквы кириллического алфавита вместе со служебными символами (точка, запятая и т.д.). В символьной матрице были сгруппированы пиктограммы (символы) 6 х 6 знаков (рис. 1, Б). Геометрические размеры элементов и параметры стимуляции в обеих матрицах не различались. Серии с символьной и буквенной матрицей чередовались в рамках одного эксперимента.
В ходе эксперимента испытуемые сидели в кресле в светоизолированной камере с фоновой освещенностью 6 св/м2. Напротив испытуемого на расстоянии 120 см от глаз располагался дисплей. Диагональный угловой размер бинокуляр-но наблюдаемой матрицы составлял 18.8 град. Буквы и символы одинаковой яркости и цвета экспонировали на черном фоне экрана. Каждый знак был виден под углом 0.8 х 0.88 град. Стимуляция заключалась в многократном вспыхивании (изменении яркости) на 100 мс в случайном порядке строк или столбцов стимулирующей матрицы. Межстимульный интервал составлял величину от 450 до 550 миллисекунд и был рандомизиро-ван. Стимуляция осуществлялась отдельными экспериментальными блоками, включающими 240 вспышек. Между экспериментальными блоками делался перерыв в 2—3 минуты. Серия экспериментов включала 16 экспериментальных блоков с 20-минутным перерывом в середине серии.
Эксперимент был построен в так называемой парадигме oddball, с двумя стимулами (частым незначимым и редким значимым). Значимой счита-
А Б В Ж 3 И MHO ТУФ Ш Щ Ъ Ю Я
К ISI * О Ш О
в) % / ш % &
О п е в <=* ®
© О % ч ® ш
Рис. 1. Стимуляционные матрицы. Л — буквенная матрица на основе кириллического алфавита, Б — символьная матрица.
лась строка (столбец), в которой находилась буква или символ, назначаемый экспериментатором, и число подсветок которого считал испытуемый. Подсветка других строк и столбцов считалась незначимым стимулом. В каждом экспериментальном блоке назначался свой значимый стимул.
Инструкция для испытуемых: "Смотрите на экран, где находится стимуляционная матрица. Экспериментатор указывает один из знаков (букву или символ), Вам нужно посчитать, сколько раз будет подсвечен именно этот символ, независимо от того, в составе строки или столбца он вспыхнет".
Регистрацию ЭЭГ проводили непрерывно и монополярно с 28 электродов, расположенных по схеме 10—10% (система "№осш1ех-Рго", фирма №игоЬоИс8, Россия). Индифферентным был правый ушной электрод. Сопротивление электродов не превышало 5 кО. Полоса пропускания усилителей ограничивалась полосой 0.5—70 Гц.
Первичная обработка ЭЭГ, разбиение на эпохи анализа по 500 мс и исключение эпох, содержавших артефакты, проводилась в программе №осойех-Рго (фирма №игоЬоИс8, Россия). Дальнейшая обработка осуществлялась при помощи программы, написанной на языке МАТ^В Кожуховым С.А. Эта программа обеспечивала импорт эпох ЭЭГ из п
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.