一项可穿戴的新技术将大脑监控从实验室转移到了现实世界

想象一下,如果教练能够知道某个球员在比赛的哪个时刻可能达到巅峰,或者卡车司机有客观数据告诉他,他的身体和大脑太累了,无法继续驾驶。

传统上,测量警觉性或精神疲劳需要打断一个自然的时刻来干预一个人为的环境。但宾夕法尼亚大学的神经学家迈克尔·普拉特(Michael Platt)和博士后阿琼·拉马克里什南(Arjun Ramakrishnan)发明了一种可以在实验室外使用的工具,这是一种可穿戴技术,可以监测大脑活动,并在不让玩家靠边休息或让卡车司机靠边停车的情况下传回数据。

为了完成他们想做的工作,Ramakrishnan(上图)和Platt寻找了一种高质量的便携式脑电图仪,这种仪器一旦就位,就不会打扰用户。当他们对商业上可用的东西不满意时,他们自己造了一个。

平台类似于大脑的Fitbit,一组硅和银纳米线传感器嵌入到一头覆盖像一个头巾,头盔,或帽。设备,便携式脑电图(EEG),是故意不引人注目的允许长穿,,后端,强大的算法解码大脑信号传感器收集。尽管这项技术还处于早期阶段,但它具有从医疗保健到体育表现和客户参与等潜在应用。

建立一个工作原型
”这一切都源于我们的欲望的一个团体——并且我强烈信念神经科学走出实验室,进入的人可以用它来充分发挥他们的潜力,”普拉特说,潘集知识教授的任命在艺术与科学学院,佩雷尔曼医学院,沃顿商学院。“我们天真地认为,我们可以利用现有的市场现成解决方案。”

但是团队测试的选项越多,就越明显地发现没有什么是他们想要的。大多数传感器整体上缺乏高质量的传感器,或者传感器的质量在佩戴者开始移动后迅速下降。2017年初,他们决定建造自己的便携式脑电图仪,这得益于宾夕法尼亚大学辛格纳米技术中心拨给国家科学基金会的种子拨款。

“我们花了6到7个月的时间才制造出一个可以工作的传感器,”Ramakrishnan说,他已经在Platt实验室工作了3年。“我们终于在2017年12月有了第一个工作原型。”

Sensors, a head band, wires and a circuit board on a table. 传感器技术的一个原型(左),打算在大多数类型的头罩佩戴舒适。

成功的版本由研究工程师Naz Belkaya设计,由银和一种叫做聚二甲基硅氧烷(PDMS)的类似硅的材料组合而成。银具有柔韧性、敏感性和导电性;PDMS是有弹性的,可以弯曲,性质类似于皮肤。将PDMS置于银纳米线的顶部,使产品基本上具有抗菌性,并避免了使用凝胶将其粘附在皮肤上的需要。这意味着传感器可以舒适地长时间呆在原地。

Platt和Ramakrishnan觉得自己掌握了一项强大的传感器技术,于是他们开始与宾夕法尼亚大学创新中心(Penn Center for Innovation)的一家分支机构PCI Ventures进行谈判,该机构的目标是指导大学教员完成创建公司的过程。PCI的授权团队帮助他们申请了该产品的临时专利(最初称为NanoNeuroScope), Cogwear有限责任公司于2018年5月诞生。2019年初,该公司聘请了首席执行官帕特里克•伍德(Patrick Wood),目的是弄清楚如何扩大生产规模,以及首先瞄准哪个方向。

“有大量潜在的应用,”伍德说。“对于一家公司来说,这真的是一个很好的起点。我们有强大的动力。”

普拉特和他的同事们已经在体育竞技场上对他们的脑电图技术进行了测试。在2019年春天,普拉特实验室博士后斯科特·雷尼(Scott Rennie)带领的一个团队与宾夕法尼亚大学赛艇队合作,研究了化学、信任、交流和大脑同步——这对一项依赖协调运动的活动至关重要。

在健身房,研究人员把传感器放在运动员身上,然后在随机选择的机器上分析他们划船的情况;在未连接的机器上与队友相邻;以及连接在一起的机器上。脑电图(EEG)和心率数据显示,当队友们在有绳子的机器上运动时,他们的生理同步率毫不意外地最高,而当他们在没有绳子的情况下相邻训练时,同步率几乎同样高。

英国一名职业足球运动员戴着传感器参加训练。

划船并不是唯一一项大脑数据可能有用的运动。今年夏天,研究人员与英国的一支专业足球队合作,评估了球员在训练期间的专注度、在压力下对压力的敏感度,以及预测和智胜对手的能力。宾夕法尼亚大学摔跤学院即将开展的一项研究将测量疲劳对摔跤运动员和教练之间的沟通和决策神经信号的影响。伍德认为像棒球这样以数字为导向的运动有很大的潜力。

伍德说:“你已经掌握了所有球员之前的统计数据、体重、身高和各种指标,但你可能还需要一个额外的数据点,来衡量他们在准备击球时站在本垒板前承受压力的心理健康程度。”“在你开始比较每个球员之前,你可能需要更多地了解他们。”

除了体育,普拉特和团队正在测试技术确定参与集体活动的能力像鬼屋东部州立监狱或商务会议上,一个企业如SAP解决方案公司。“我们做了一个简短的初步研究在拉斯维加斯测量大脑活动和心率走过SAP贸易展的人,”普拉特说。“我们发现心率根本没有变化;它没有动。但是从脑电图数据中得出的参与测量结果显示出非常有趣的波峰和波谷。在很大程度上,人们并不是很投入,也不是很聪明,除非是在和别人交谈的时候。”

今年5月,研究人员与SAP进行了一项规模更大的研究。在一个参加会议的焦点小组中,普拉特的团队发现,大脑数据有助于预测人们将参观哪些摊位和活动。就像试点项目一样,社交互动似乎能最大程度地提高参与度。 

他解释道:“目前的黄金标准是在会议结束后给与会者发送一份调查报告,这是衡量参与度的一个糟糕指标。”“我们已经有了令人兴奋的研究结果,表明社交互动比非社交互动更能起到推动作用,而且我们或许可以根据大脑活动做出其他预测。”

Soccer players on a field on a beautiful day. Four players sit as a fifth, wearing a green vest, kicks the ball toward a goal and a goalie. The ball is in mid-air. 今夏,普拉特实验室的研究人员与英国一支专业足球队合作,评估了球员在训练期间的专注度、在压力下对压力的敏感度,以及预测和智胜对手的能力。

未来医疗保健和超越
线,普拉特和Ramakrishnan说他们可以看到医疗行业采用这项技术的物理应用,比如家庭发作监测儿童和精神卫生,注意变化可能表明焦虑或抑郁的心境,例如。

Ramakrishnan说:“在美国,大约40%的大学生感到焦虑或抑郁。这是一个惊人的数字。”他补充说,挑战在于人们往往不了解自己的心理健康状况。由大脑支持&普拉特实验室(Platt Labs)团队的行为研究基金会(Behavior Research Foundation grant)的格兰特(grant)正在开发一种可带回家的工具包,其中包括游戏和便携式脑电图仪(EEG)。一个已经完成的实验室组件表明,普拉特的团队可以使用结合基于脑电图的特征、心率变异性和皮肤电导的新算法,以84%的准确率识别参与者的焦虑水平。

Ramakrishnan说:“这是卫生保健总体发展的方向。”“这种方法大有前途。”

研究小组迄今测试的所有技术应用都集中在大规模的机构应用上。但最终,任何人都有可能购买一款以传感器技术为核心的脑电图产品,这是市场上已有的个性化数据收集工具(如智能手表和睡眠监测应用程序)生态系统的补充。 

普拉特解释说:“从本质上讲,我们在这方面取得的进步是传感器技术,但实际上,我们利用了过去25年来我们在理解和解码大脑信号方面积累的所有专业知识。”“然后我们就可以利用这些信号来预测性能、用户体验、客户参与度等等。这是真正监控大脑的关键;它让我们了解到人们不能或不会自我报告的功能或功能障碍。”

迈克尔·普拉特(Michael Platt)是詹姆斯·s·里普大学(James S. Riepe University)艺术与科学学院(School of Arts and Sciences)心理学系、佩雷尔曼医学院(Perelman School of Medicine)神经科学系和沃顿商学院(Wharton School)营销部的教授。

Arjun Ramakrishnan和Scott Rennie是普拉特实验室的博士后研究员。帕特里克·伍德(Patrick Wood)是Cogwear, LLC.的首席执行官。

参与Cogwear开发的宾夕法尼亚创新中心团队成员包括尼尔·莱蒙(Neal Lemon),他帮助普拉特的团队申请了临时和非临时专利;瑞安·门多萨(Ryan Mendoza),他帮助推出了Cogwear;乔达娜·巴米什(Jordana Barmish)担任Cogwear前九个月的临时CEO。

该项目的资金来自美国国家科学基金会(NSF)的拨款nci -1542153;P&S基金和大脑与行为研究基金会;FabNet™大奖由Ben Franklin Technology Partners赞助;宾夕法尼亚大学健康技术和宾夕法尼亚大学医疗创新中心;以及国家自然科学基金会资助的宾州I-Corps助学金。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://penntoday.upenn.edu/news/innovative-technology-wearable-portable-EEG-moves-brain-monitoring-from-lab-to-real-world