Jakie są wyzwania we współczesnych badaniach i analizach EEG?

W 1925 roku niemiecki psychiatra Hans Berger zarejestrował pierwszy ludzki elektroencefalogram (EEG). Od tego czasu technologia w interfejsach mózg-komputer i obliczeniach stale się poprawia.

Ten wpis bada dwa główne wyzwania w badaniach EEG, którymi są:

1. Złożoność logistyczna tradycyjnych akademickich badań EEG oraz

2. Innowacje w sprzęcie EEG.

Złożoność logistyczna tradycyjnych akademickich badań EEG

Ekskluzywne, niedofinansowane, ograniczone regionalnie populacje badawcze

Zrozummy najpierw badania elektroencefalograficzne (EEG). Badania EEG i metodologia badań w neuronauce poznawczej obejmują rejestrację aktywności elektrycznej ludzkiego mózgu przy użyciu celowo umieszczonych, nieinwazyjnych elektrod na powierzchni głowy badanej osoby. Korzystając z projektów eksperymentalnych polegających na ekspozycji na różne bodźce, można analizować zmiany w sygnałach mózgowych i ekstrapolować dane.

Tabela 1 przedstawia przegląd rodzajów badań i działań wykonywanych przy użyciu technologii EEG. Zachęcamy również do przeczytania tego przewodnika wprowadzającego do elektroencefalografii EEG.

Tabela 1: Rodzaje badań elektroencefalograficznych (EEG) (zaadaptowane z (Williams i in., 2020)

Choć EEG zostało powszechnie przyjęte jako skuteczne narzędzie badawcze, logistyka może stanowić wyzwanie. Większość agencji finansujących zapewnia środki na badania kliniczne, translacyjne lub stosowane. Mniej funduszy przeznacza się jednak na podstawowe badania eksperymentalne. Mniejsze finansowanie może pogłębić trudności logistyczne związane z rekrutacją uczestników i prowadzeniem rzetelnych badań eksperymentalnych, co skutkuje małymi próbami badawczymi. Te małe próby badawcze są dobierane w sposób wygodny z ograniczonego obszaru geograficznego.

Zjawisko to znane jest jako problem WEIRD. Odnosi się ono do osób z kręgu zachodniego, wykształconego, uprzemysłowionego, bogatego i demokratycznego (Western, Educated, Industrialized, Rich, Democratic), które stanowią typowe próby badawcze. Te populacje próbne nie są szczególnie inkluzywne, ponieważ większość tych osób pochodzi z kampusów uniwersyteckich. Ta demografia WEIRD nie odzwierciedla rzeczywistej różnorodności ani unikalnych atrybutów poznawczych i emocjonalnych, które czynią nas ludźmi.

Zbiorowo sytuacja ta ogranicza praktyczne znaczenie i możliwość uogólniania eksperymentów. Z tego powodu wnioski z tych badań są trudne do ekstrapolacji na nowe spostrzeżenia dotyczące ogółu ludzkiego poznania (tj. obciążenia psychicznego, rozwiązywania problemów itp.).

Innowacje w sprzęcie EEG

Klasy badawczej, przenośny, tani sprzęt dostępny na całym świecie

Urządzenia EEG

W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy przełamali tradycyjne bariery w badaniach neuronaukowych dzięki przenośnym urządzeniom EEG. Interfejsy mózg-komputer (BCI), interfejsy mózg-maszyna (BMI) lub interfejsy człowiek-komputer (HCI) robią dokładnie to. Wykorzystują sygnały EEG do charakteryzowania i identyfikowania stanów poznawczych lub afektywnych. BCI rozwija się gwałtownie jako sposób na przekształcenie interakcji ludzi z ich otoczeniem. Jest to napędzane postępem w miniaturyzacji sprzętu i ulepszeniami algorytmów przetwarzania danych. Systemy te umożliwiają ludziom samodoskonalenie poprzez neurofeedback i zachęcają do interakcji z otoczeniem bez fizycznej interwencji.

Przyszłość urządzeń EEG

Co najmniej od dekady ogólnym trendem w sprzęcie EEG jest zmniejszanie tych narzędzi, czynienie ich bezprzewodowymi, przenośnymi i tańszymi.

Rysunek 1: Zestaw słuchawkowy EPOC firmy Emotiv

Rysunek 2: Zestaw słuchawkowy EPOC Flex firmy Emotiv

Jednak przeniesienie tego, co kiedyś wymagało kosztownego, dedykowanego laboratorium, na przenośny, tani system nie obyło się bez obaw. Niektórzy naukowcy mieli obawy co do ważności, jakości lub praktyczności zestawów EEG. Aby to zbadać, naukowcy przeprowadzili wiele badań walidacyjnych wykazujących naukową użyteczność tych systemów.

Niski koszt i przenośność zestawów EEG otworzyły również szeroki zakres pytań badawczych, na które można teraz odpowiedzieć in situ. Oznacza to, że fale mózgowe badanej osoby można mierzyć w rzeczywistych sytuacjach, podczas gdy starszy sprzęt charakteryzuje się minimalną mobilnością. W psychologii ruchu czy sportu jest to monumentalna zmiana.

Wyobraźmy sobie grupę badawczą badającą czas reakcji u specjalnie dobranej grupy studentów uprawiających sport. Zadają pytanie, czy bramkarze piłkarscy mają szybszy czas reakcji na piłkę niż inni koledzy z drużyny. W starszym paradygmacie badawczym badani ci musieliby przyjść do laboratorium, zostać podłączeni do aparatury, wykonać zadanie na fizycznym ekranie i raportować za pomocą przycisków sprzętowych lub klawiszy. Dzięki nowszemu sprzętowi EEG to samo pytanie można teraz postawić i zmierzyć bezpośrednio na boisku piłkarskim.

Ogólnie rzecz biorąc, te innowacje w sprzęcie EEG otworzyły praktyczne zastosowania poza laboratorium. W ten sposób zwiększyły one możliwości i zakres badań neuronaukowych.

Poznaj innowacje – poznaj Emotiv

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił ekscytujący rozwój w dziedzinie głębokiego uczenia i innych analiz opartych na uczeniu maszynowym. Z tego powodu wymagany jest duży, wiarygodny i wysokiej jakości zestaw danych (n=1000+), aby wykorzystać wartość tych programów. Biorąc pod uwagę wymagania dotyczące przetwarzania sygnałów, klasyfikacji, walidacji i oceny wydajności w badaniach EEG, dziedzina ta odnosi ogromne korzyści z zastosowania metod sztucznej inteligencji. Big data jest niezbędne do przełamania iteracyjnego charakteru obecnych badań eksperymentalnych w neuronauce, zwłaszcza w bardziej złożonych obszarach chorób neurodegeneracyjnych i interfejsów mózg-komputer. Do tej pory te dane były niedostępne.

Istnieją dwa podejścia do zwiększenia potencjalnej populacji badawczej i w konsekwencji
zbieranych danych:

1. Opracowanie klasy badawczej, przenośnego, taniego sprzętu EEG, który może być używany na całym świecie.

2. Ulepszenie metod zbierania danych, walidacji i zautomatyzowanej analizy.

Rozwiązuj wyzwania, rozwijaj się wraz ze zmianami. Wybierz Emotiv

Przegląd innowacji Emotiv w dziedzinie EEG na przestrzeni ostatniej dekady

Wykorzystanie urządzeń EEG w badaniach neuronaukowych i placówkach klinicznych stale rośnie (patrz Rysunek 3). Przez ostatnią dekadę firma Emotiv opracowywała klasy badawczej, bezprzewodowy, przenośny i łatwy w użyciu sprzęt EEG z kontrolą jakości, dostępny dla każdego, w dowolnym miejscu na świecie, aby sprostać tym wyzwaniom.

Rysunek 3 – Liczba publikacji zawierających „EEG” (1940 – 2021) za pośrednictwem Neuroscience Information Framework

Ewolucja sprzętu

Dodatkowo hardware EEG ewoluował od elektrod mokrych do suchych. Elektrody mokre są czasochłonne w dopasowaniu, niewygodne w noszeniu i ograniczają mobilność. Zestawy słuchawkowe z elektrodami suchymi lub hybrydowymi działają szybko, są przenośne oraz znacznie tańsze w produkcji i eksploatacji. Te postępy technologiczne przybliżają nas do przełomów w badaniach neurologicznych, ale wciąż jeszcze nie dotarliśmy do celu.

Zapewnienie zróżnicowanych zestawów prób

Emotiv może pomóc Ci zwiększyć różnorodność Twoich badań. Linia zestawów EEG EPOC od Emotiv istnieje już od ponad dekady i została niezależnie zweryfikowana przez instytucje badawcze na całym świecie. Były one stosowane w różnych aplikacjach, w tym do sterowania robotycznymi kończynami i wózkami inwalidzkimi, biometrycznego uwierzytelniania użytkowników w systemach bezpieczeństwa oraz identyfikacji poznawczych i emocjonalnych stanów umysłu.

Potencjał Emotiv do globalnego zastosowania i niska bariera finansowa ułatwiają badania osobom o ograniczonych zasobach. Na przykład Parameshwaran i Thiagarajan użyli sprzętu EEG Emotiv w środowiskach wiejskich i miejskich w Indiach, aby wykazać różnice w zapisach EEG powiązane ze statusem społeczno-ekonomicznym, ekspozycją na technologię i doświadczeniem w podróżowaniu.