Влияние наличия нецелевых стимулов на потенциалы мозга,

используемые для детекции одиночной команды в интерфейсе

мозг-компьютер

Вигасина К.Д., Нуждин Ю.О.

НИЦ «Курчатовский институт»

Rebsamen et al. (2010) A brain controlled wheelchair to navigate in familiar environments. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 18(6). 590-598.

Введение. Пример интерфейса с использованием нецелевых стимулов

Время срабатывания этого интерфейса определялось временем получения ответов на три целевых стимула. Максимальная скорость срабатывания – 6 секунд.

Увеличить скорость еще больше за счет повышения частоты предъявления целевых стимулов сложно, так как начинают мешать подсветки других стимулов ( McFarland et al., 2011)

Но это возможно, если полностью убрать нецелевые стимулы, как это сделано в разработанной в нашей лаборатории «одностимульной парадигме», где достигнута скорость срабатывания 4 с (Fedorova et al.)

Цель исследования

Однако, возможно, что полное исключение нецелевых стимулов нежелательно, так как они могут играть определенную роль в работе интерфейса:

-маскировать целевой стимул, когда пользователь смотрит в сторону, предотвращая ложное срабатывание интерфейса

-повышать амплитуду ЗВП, на которую влияет усложнение задачи

Выяснить, как влияет наличие нецелевых стимулов, на работу ИМК, и является целью данной работы.

Методика

BCI2000

«Одностимульная парадигма»

группа из 6-9 целевых

стимулов длительность

ю 100 мсс паузами 500-900 мс

между ними

2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c

8 групп стимулов

Во время эксперимента такая последовательность стимулов предъявлялась дважды – слева и справа.

Режим с дистракторами

группа из 6-9 целевых стимулов длительностью 100 мс с паузами 500-900 мс, во время которых предъявлялось 2-4 нецелевых стимула длительностью 100 мс

2-4 нецелевых стимула длительностью 100 мс

Целевой стимул

Нецелевые стимулы

Целевой стимул

Дополнительный режим

2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c 2,9 c

8 групп стимулов

группа из 6-9 целевых стимулов длительностью 100 мс с паузами 500-900 мс, во время которых предъявлялось 2-4 нецелевых стимула длительностью 100 мс

Ситуация, когда пользователь не подает команду

Также было важно сравнить ситуации, когда пользователь не подает команду, при разных типах стимулов. При предъявлении того или иного типа стимулов по вышеуказанным схемам, испытуемый должен был отвлечься от них и смотреть на фиксационный крест. Дополнительно давалось задание считать звуки, которые предъявлялись с такой же частотой как целевые стимулы.

Контроль движений глаз

EyeLink 1000 Plus

В последних трех экспериментах дополнительно регистрировались движения глаз, чтобы проверить, насколько четко испытуемый выполняет задание

Контроль движений глаз

Радиус целевого стимула (круга) – 45 пикселей.

Результаты

Были усреднены вызванные потенциалы на зрительный стимулы методом синхронного усреднения.«0» соответствует моменту подачи целевого стимула (лица). Общее среднее по всем испытуемым (14 человек)

Синяя кривая соответствует ВП на лица без дистракторов.Красная кривая соответствует ВП на лица с дистракторами.

По оси абсцисс:секунды

По оси ординат:амплитуда (мкВ)

Результаты

По оси абсцисс:секунды

По оси ординат:амплитуда (мкВ)

«0» соответствует моменту подачи целевого стимула.Общее среднее по всем испытуемым

Красная кривая соответствует ВП на лица (с дистракторами).Зеленая кривая соответствует ВП на фрагменты лиц (с дистракторами).

Сравнение амплитуд негативных компонентов ЗВП с латентностью 170-250 мс

(лица без дистракторов, лица с дистракторами)

Критерий Вилкоксона (p<0,05). В исследовании участвовали 14 человекPO7 p=0,03 O1 p=0,07

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

PO7 O1

Сравнение амплитуд негативных компонентов ЗВП с латентностью 170-250 мс

(лица без дистракторов, лица с дистракторами)

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

Oz p=0,97 O2 p=0,14 PO8 p=0,01

Oz O2 PO8

Сравнение амплитуд позитивных компонентов ЗВП с латентностью 150-225 мс

(лица без дистракторов, лица с дистракторами)

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т0

2

4

6

8

1 0

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т0

2

4

6

8

1 0

Cz p=0,77 Pz p=0,68

Cz Pz

Сравнение амплитуд позитивных компонентов ЗВП с латентностью 300-600 мс

(лица без дистракторов, лица с дистракторами)

Cz p=0,01

Pz p=0,03

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т0

2

4

6

8

1 0

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

б е з д и с т с д и с т

2

4

6

8

1 0

Cz Pz

Сравнение амплитуд негативных компонентов ЗВП с латентностью 170-250 мс

(лица с дистракторами, фрагменты лиц)

PO7 p=0,18

O1 p=0,02

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

2

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

2

PO7 O1

Сравнение амплитуд негативных компонентов ЗВП с латентностью 170-250 мс

(лица с дистракторами, фрагменты лиц)

Oz p=0,1

O2 p=0,13

PO8 p=0,43

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

2

4

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

2

4

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы- 1 6

- 1 4

- 1 2

- 1 0

- 8

- 6

- 4

- 2

0

2

4

Oz O2 PO8

Сравнение амплитуд позитивных компонентов ЗВП с латентностью 150-225 мс

(лица с дистракторами, фрагменты лиц)

Cz p=0,97

Pz p=0,97

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

Сz Pz

Сравнение амплитуд позитивных компонентов ЗВП с латентностью 300-600 мс

(лица с дистракторами, фрагменты лиц)

Cz p=0,3

Pz p=0,18

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

Ам

пл

иту

да

, м

кВ

M e d i a n 2 5 % - 7 5 % M i n - M a x

л и ц а ф р а г м е н т ы0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

Сz Pz

Выводы

1.Амплитуда негативных компонентов ЗВП с латентностью 170-250 мс достоверно выше на лица без дистракторов в отведениях PO7 и PO8.

2.Амплитуда позитивных компонентов ЗВП с латентностью 300-600 мс достоверно выше на лица с дистракторами в отведениях Cz и Pz.

1.Преимущество использования лиц в «одностимульной парадигме» не выявлено.