Нейрокомпьютерный интерфейс для улучшения тактильной чувствительности рук

Тактильная чувствительность играет важную роль в восприятии мира человеком. Для ряда областей человеческой деятельности, таких как медицина, музыка, профессии, требующие выполнения тонких работ, характерны высокие требования к тактильной чувствительности. В некоторых случаях повышенная соматосенсорная чувствительность может возникать как следствие особого сенсорного опыта, к примеру, при развитии сенсорной компенсации после потери зрения. Повышенная тактильная чувствительность связана с освоением шрифта Брайля слепыми. В то же время, различные тактильные парестезии, возникающие в результате различных заболеваний, в том числе инсультов, нейродегенеративных заболеваний и спинальных травм, могут сильно ухудшать качество жизни пациентов. Таким образом, актуальной задачей является разработка методик улучшения тактильной чувствительности.

Сообщалось, что в процессе длительной нейроинтерфейсной реабилитации пациентов со спинальными травмами, помимо способности к выполнению низкоамплитудных движений восстанавливается также некоторая тактильная чувствительность в дерматомах, затронутых поражением. Однако, методика тренировки, примененная авторами, не имела своей целью стимуляцию тактильной чувствительности саму по себе, и этот эффект носил характер побочного. Была предложена целенаправленная тренировка тактильной чувствительности, и за последнее время стала одной из общепринятых методик исследования кратковременной пластичности мозга человека. В данной модели, производится стимуляция участков кожи с помощью вибрации либо электрокожного раздражения на протяжении нескольких десятков минут, вплоть до нескольких часов. Испытуемый при этом не должен обращать никакого особого внимания на стимуляцию. После окончания стимуляции, на протяжении нескольких десятков минут регистрируется повышение пороговых значений тактильной чувствительности. Этот эффект обычно объясняется обучением по Хеббу, при котором нейроны первичной соматосенсорной коры, которые на протяжении длительного времени отвечают на стимулы синхронно, сохраняют повышенную возбудимость некоторое время после конца стимуляции. Увеличение сенсорного представительства стимулированных частей тела регистрируется с помощью фМРТ.
Большинство работ по подобной сенсорной стимуляции фокусируются на пассивном характере обучения. Однако, определенный интерес представляет вопрос о возможности модуляции эффекта вниманием сверху вниз. Показано, что первичная соматосенсорная кора может возбуждаться при наблюдении прикосновения к частям тела, хотя этот эффект и не складывается с эффектом тактильной стимуляции. Можно предположить, что при активном привлечении внимания к стимуляции, тактильная чувствительность будет увеличиваться сильнее, чем при пассивной тренировке.

Одним из способов привлечения внимания к стимулам является использование нейроинтерфейса. В нейроинтерфейсе, основанном на вызванных потенциалах, пользователь привлекает внимание к одному из стимулов. Система анализирует ЭЭГ пользователя, определяет, к какому стимулу было привлечено внимание и выдает обратную связь пользователю. Точность определения тем выше, чем более пользователь сосредоточен на задаче. Пользователь должен стараться максимально точно воспринимать стимулы, чтобы система давала правильные ответы. Таким образом, возможна геймификация процесса сбора данных, что позволяет получать более качественные данные за счет уменьшения утомления пользователя.
Ранее было разработано большое количество тактильных нейроинтерфейсов, использующих в качестве стимулов вибрацию, активацию брайлевских ячеек, и электрокожное раздражение. По косвенным данным можно судить, что точность работы в тактильном нейроинтерфейсе связана с базовым уровнем тактильной чувствительности, однако до сих пор не было проведено исследования влияния использования такого интерфейса на чувствительность.
Таким образом, для разработки нейроинтерфейсного метода улучшения тактильной чувствительности, необходимо создать тактильный нейроинтерфейс, подобрать оптимальную методику оценки чувствительности и провести исследование влияния работы в ИМК на тактильную чувствительность.

Основная проблема, решаемая в проекте. Цель проекта
Существуют методики нейроинтерфейсной тренировки для восстановления движений, которая косвенно приводит к повышению чувствительности у пациентов. Существуют методики повышения тактильной чувствительности с помощью стимуляции без активного внимания пациента. Но неизвестно, будет ли повышать тактильную чувствительность использование нейроинтерфейса на основе тактильных вызванных потенциалов.
Цель проекта: оценить влияние нейроинтерфейсной тренировки на тактильную чувствительность.
Задачи проекта
  • Разработка и валидация технологии оценки тактильной чувствительности
    • Протестировать различные методики оценки тактильной чувствительности
  • Разработка тактильного нейроинтерфейса и исследование его работы
    • Собрать из готовых программных и аппаратных компонентов прототип тактильного нейроинтерфейса
    • При необходимости доработать аппаратную базу и создать новый тактильный стимулятор, пригодный для работы в нейроинтерфейс
  • Исследование влияния различных видов тренировки на тактильную чувствительность
    • Провести исследование, используя наработки из предыдущих пунктов
    • Обработать экспериментальные данные
Планируемые результаты проекта
Будет:
  • Разработано оборудование для оценки тактильной чувствительности
  • Разработан (подобран) тактильный стимулятор, который может использоваться в нейроинтерфейсных целях
  • Реализован прототип нейроинтерфейса
  • Освоена процедура оценки
  • Получен ответ на вопрос о влиянии тренировки на тактильную чувствительность, результаты представлены на конференции
Учащиеся – участники проекта
10 класс
Инженерный профиль
2 чел.
  • Разработка ПО и аппаратного обеспечения
  • Обработка данных
Естественнонаучный профиль
2 чел.
  • Разработка протоколов тренировки
  • Экспериментальная работа
  • Обработка данных
Команда проекта
План-график проекта
Введение в теоретические основы нейрофизиологии, ИМК, энцефалографии и проведения научных исследований
Разработка и освоение методик, при необходимости разработка подходов к автоматизации
Разработка и оптимизация тактильного нейроинтерфейса на основе вызванных потенциалов
Проведение основного исследования, обработка и представление данных