В одной из своих последних работ Фабьен Лотте (Fabien Lotte), ученый из Французского национального исследовательского института цифровых наук (Inria) и участник конференции BCI Самара 2019 (3-5 октября), рассматривал с коллегами то, насколько применимы «сухие» электроды ЭЭГ для оценки работы мозга не в лаборатории, а прямо на «рабочем месте» — например, у пилота в кабине самолета. Они пришли к выводу, что потенциал у подобного метода есть, но нуждается в сильной аппаратной доработке, о чем рассказали в статье, опубликованной в журнале Sensors.
Самолет, на котором проводились эксперименты. Credit: Fabien Lotte et al./ Sensors 2019
Исследователи заинтересовались работой мозга пилотов неспроста: люди этой профессии несут огромную ответственность за жизни пассажиров и испытывают колоссальные нагрузки на многие когнитивные системы из-за многозадачности (контроль траектории, параметров полета, связь с диспетчером, адаптация плана полета и тд.). Кроме того, даже когда пилот находится в одиночестве и в кабине небольшого аппарата, то эксплуатация этого аппарата – сложная деятельность, которая происходит в динамичной и неопределенной среде.
Понятно, что в таких условиях истощение систем когнитивного контроля происходит быстрее, что может повлечь за собой негативные последствия. Поэтому необходим постоянный мониторинг того, в какой степени усталости находится мозг в конкретный момент, желательно, в режиме реального времени. Для этих целей используется пассивный интерфейс «мозг-компьютер», в основе которого лежит контроль активности коры мозга при помощи электроэнцефалографии. Однако, подавляющее большинство экспериментов проводится в лабораторных условиях, тогда как гораздо полезнее проверять нейроадаптивные технологии в реальных условиях.
Такие примеры тоже есть, но в основном применяются либо «мокрые» электроды с гелевой прослойкой между приемником сигнала и кожей головы, либо «сухие» многоканальные (32 или 64 электрода). Первые хороши в отношении сигнала, но точно не подходят для ежедневного постоянного использования, вторые тоже слишком громоздкие и неудобные. Движение же в сторону портативности неизменно связано с понижением соотношения сигнал-шум и потому требует совершенно другого принципа статистического анализа получаемого сигнала.
В своем нынешнем исследовании ученые попробовали при помощи 6-канальной системы не просто различить когнитивные состояния пилотов в двух разных по сложности заданиях, но и спрогнозировать их умственные нагрузки. Экспериментальный сценарий предполагал две схемы движения в полетах двух уровнях сложности. В условиях низкой нагрузки каждый участник (всего их было 22 со средним возрастом 25,4 лет) наблюдал за полетом, которым управлял инструктор, а в условиях же высокой нагрузки каждый контролировал самолет самостоятельно. Кроме того, во время эксперимента изучалась реакция человека на внезапные звуковые стимулы (так называемая парадигма passive auditory oddball).
Модель эксперимента.Credit: Fabien Lotte et al./ Sensors 2019
Исследователи обнаружили, что на некоторых электродах в ответ на звуковую мишень возрастает амплитуда P300, и отмечаются более высокие мощности альфа-диапазона и тета-диапазона в условиях низкой нагрузки по сравнению с высокой нагрузкой. Если брать во внимание только частотные характеристики, рассчитанные для непрерывного сигнала при помощи методов обработки информации ASR и rASR, то точность классификации (распознавания состояний), в среднем, достигала около 70 процентов, и это довольно точный показатель для интерфейса мозг-компьютер.
Авторы отмечают, что потенциал «сухой» ЭЭГ для мониторинга умственной нагрузки в очень шумной во всех отношениях обстановке кабины пилота, весьма неплохой. Однако, все еще требуется аппаратное усовершенствование, прежде чем гарнитуру можно будет использовать для повседневных полетов.
Дальше планируется при помощи 6 «сухих» электродов оценить нагрузку на стандартный экипаж (пилот + второй пилот) в типичных условиях (разные варианты полетов) и оптимизировать распределение задач в зависимости от рабочей нагрузки на каждого пилота. И если результаты окажутся успешными – внедрить систему электродов в обычные гарнитуры пилотов, чтобы при этом им было максимально комфортно.
Текст: Анна Хоружая
Monitoring Pilot’s Mental Workload Using ERPs and Spectral Power with a Six-Dry-Electrode EEG System in Real Flight Conditions by F. Dehais, A. Duprès, S. Blum, N. Drougard, S. Scannella, R.N. Roy, F. Lotte, inSensors, vol. 19, no. 6, pp. 1324, 2019
