ナタリー・メディナ: 「脳のパターンを識別できる分類器を設計しました」

メキシコの教師であるナタリー・メディナ・ロドリゲスは、「インテリジェント・コンピューティングによる脳波信号の分類を実行する学習アルゴリズムの設計」というタイトルの博士論文の成果として、職場での精神的疲労を検出するシステムを開発しました。彼が設計したインターフェイスは、機械学習を使用して、肉体的および精神的な努力による脳の疲労パターンを分類します。このプロジェクトにつながる博士論文へのアプローチはどのようにして生まれたのですか？

修士課程では機械加工関連の仕事をし、数値制御機械のルートを使用するアルゴリズムを設計しました。そのアルゴリズムはアリなどに基づいていました。修士課程を修了し、博士課程に進学したいと考えたとき、私は論文指導教員である博士に提案しました。オスカー・モンティエル・ロス] 話題を変えます。私はエンジニアリング分野で働くのがずっと好きだったので、2011 年の話ですが、非常に新しく、ほとんど聞いたこともなかった脳の活動に取り組むことを提案しました。それで、私たちは神経科学に少し触れ始めました。博士論文の提案として生まれましたが、当初は人の思考を検出するアルゴリズムを開発したいと考えていました。しかし、動かすためには何よりも体の一部を動かすことが重要です。たとえば、彼らが持っていない腕を物理的に制御できるテストを設計します。

私たちは機器を入手しましたが、神経科医と一緒に神経科学の分野を分析、実験、研究する中で、動きを生成するための運動に特化した大脳皮質を捕捉する電極やセンサーが機器に備わっていないことに気づきました。 。その結果、私は[論文指導教員]にこう言いました。「先生、これでは結果は得られないと思います。」そして、私は教師なので、授業中に生徒が非常に疲れて到着することがあることに気づきました。そこで思いつきました。私は彼にこう言いました。「先生、精神的な疲労、精神的な疲労が検出され始めたらどう思いますか？」私は彼に、時々生徒が疲れて到着して授業に出席しないことがある、そしてそこからすべてが始まったと説明しました。学生たちは患者となり、与えられた検査に基づいて精神疲労を監視する実験が行われました。

インターフェイスの操作プロセスは何ですか?

インターフェースはサーバーによって開発されたコンピューター システムであり、市販のヘッドセットを入手します。市販のヘッドバンドには特定の電極のみが付属しており、すべての電極が付属しているわけではありませんが、認知または行動の部分では機能しました。

それは何で構成されていますか?私はそのヘッドバンドを使ってコンピューターにワイヤレスで通信します。コンピューターが行うことは、まずニューロンによって引き起こされる電気信号から特徴を抽出することです。特徴が抽出されたら、神経科学の分野からの特定のルールに基づいて脳のパターンを識別できる分類器を設計しました。これにより、0 から 100 のスケールに基づく精神疲労指数の作成に進みます。そのスケールでは、スタンフォード睡眠スケール、またはスタンフォード眠気の健康と呼ばれる疲労感または眠気をベースにしました。私はそのスケールに基づいて、最終的に係数を決定できるようにしました。

たとえば、80 点から 100 点の間で、多かれ少なかれ 90 点を獲得した場合、その人はすでに眠い、たとえば非常に疲れていて、実質的に意識を失う可能性があると言えます。それが仕組みです。ヘッドバンドが接続されると特性が抽出され、分類子が入力され、この分類子の結果は 0 から 100 までの係数になります。

この分類器は毎回トレーニングされる、つまり機械学習が実装されていることに注意してください。人または患者がこのデバイスに接続するたびに、アルゴリズムが学習を繰り返します。そうすれば、結果はさらに細かくなり、それが私たちが開発する製品の革新的な部分です。

精神的な疲労や眠気とは何を定義しますか?

眠気はすでに注意力を失った状態です。それは、人が実質的に意識を失ったとき、または口語的に言うように、「彼は五感を失った」ときです。

注意力の喪失は、身体的な努力または精神的な努力によって引き起こされるものです。この注意力の喪失が非常に深刻である場合、またはその喪失がかなり大きい場合は、眠気の状態と呼ばれます。つまり、その人は実質的に眠っている可能性があるということです。つまり、これは認知状態または精神状態であり、私の出版物では、これを疲労または注意力の喪失に対する精神的疲労と呼んでいます。

なぜその理由ですか？なぜなら、応用として、注意力の喪失という点でその人がどの程度疲れているかを知ることができれば、職業上のリスクを回避できるからです。たとえば、パイロットや輸送ドライバーの場合は、自動車事故を避けてください。それは精神的な疲労であり、未知のさまざまな要因によって引き起こされる可能性のある注意力の喪失です。

私が取り組んだ実験では、生徒たちにテストをして疲れさせました。それが彼らが疲れる要因だった。そして、確かに、特に試験は多くの努力を必要とする精神的なプロセスであるため、若者はほとんどの場合、試験に非常にうんざりしてしまいます。つまり、それが私が取り組んで特定している精神的疲労です。

大脳皮質の電極で何を測定していますか?

私たちの脳には、情報の伝達と処理を担う神経細胞であるニューロンが 1 億個あります。精神的なプロセス、運動、関節があるときにニューロンの内部で何が起こっているかというと、それらは脳が処理するコマンドであるということです。したがって、特定の活動のためにニューロンが相互接続する特定の領域があるため、これは電気化学的プロセスです。たとえば、認知、運動、視覚の部分では、脳の特定の部分が他の部分よりも活発になり始めます。

何が起こっている？内部的にはナトリウムとカリウムの補償があります。何が起こるかというと、ニューロンの外側と内側では、一方の部分がよりポジティブになり、もう一方の部分がネガティブになります。それはどういう意味ですか？それは電圧であり、私たちが測定しているのは電気です。大脳皮質に電極を設置し、微小な電気信号を測定します。これは、非常に量が少ないことを意味します。非常に小さな信号なので、電気技師にとってはノイズとも言えます。

その地殻全体には、電気信号によって正確に生成される電場と呼ばれるものがあります。ニューロンが情報を伝達または処理するために働いているとき、電気化学によって外部に電場が生じます。そして、それが私たちが測定するものであり、脳の特定の領域のニューロンの電気活動です。

精神的な疲労がないことを何を定義しますか?

それが学習の考え方です。私たちは人工知能の分野に知識ベースを持っており、そこには神経内科医によって行われた神経学的検査と、他の大学のデータベースから収集された検査という 2 つの情報源の歴史があります。私たちは、脳の疲労パターンがどのようなものであるか、疲労のレベルについて過去の歴史を持っています。これは、システムが比較できなければならないデータベースです。比較するほど簡単ではありませんが、アルゴリズムがもたらす知識の基礎となります。つまり、すべてが同じではないため、使用されるたびにシステムがトレーニングされ、システムを学習するのです。ある類似性によれば、それが訓練を行うものです。毎回トレーニングされるアルゴリズムであり、結果はより良くなります。しかし、それには奇妙な事実があり、私たちには基地があるのです。私たちは精神的な疲労を測定していると言えますが、その人は非常に健康で、正確には眠気の状態ではなく、意識のある状態にあるとも言えます。それでは、それらの係数は決定できるのでしょうか?はい、はい、できます。

彼が意識を持っている兆候として何を考えていますか?

脳の活動は大きく異なって見えます。ヘルメットをかぶった状態で脳の活動を測定すると、非常に特殊なパターンが得られるでしょう。私が眠り始めると、あなたが寝た瞬間から脳のパターンが変わります。何が起こっている？精神的な疲労があり、電気信号の低周波が上昇すると変化が起こります。

ある状態から別の状態への変化がどの程度であるかを測定します。たとえば、今の私のような普通の人は、話していると、口を動かしたり、おそらく手を動かしたりするため、一定のノイズが発生します。また、このトピックをどのように提示するかを考えているため、認知プロセスも発生します。しかし、疲労や意識の喪失はなく、それが私たちが検出するもの、つまり脳のパターンです。 2011 年にアイデアが浮かんだ場合、プロセスの各部分を開発するのにどれくらい時間がかかりましたか?

博士号の期間は4年間です。今は 2018 年ですが、私はすでに博士号を取得しています。この研究を国際ジャーナルに発表するので、卒業する必要があるだけです（このプロジェクトはメキシコ国家科学技術評議会 CONACYT ですでに発表されています）。論文などはすでに持っています。

それは一体どのようにして、何年後に起こったのでしょうか？研究と神経内科医との面接に1年かかり、機器の検索とプログラミングに1学期かかり、アルゴリズムの開発とテストの間に丸1年かかりました。テストとアルゴリズムの開発の両方だったので。ぴったり合うまで調整し、開発には1年かかりました。

私の博士号の残りの期間とここ数年間は出版物でした。私たちはその答えを待っているだけです。この論文は最後まで続きますが、開発には機器を入手してプログラムするのに 1 年 6 か月かかりました。

*このプロジェクト、つまり機械学習の部分が他と違う、優れている、または特別な理由は何ですか?

私の論文のタイトルは「脳信号分類のための学習アルゴリズムの設計」です。特に精神的な疲労ではなく、脳の活動です。アプリケーションは実質的に精神的な疲労でした。

健康と仕事の最適化の両方においてどのようなメリットがあるのでしょうか? *

人がどの程度疲労しているか、あるいは集中力や意識がどの程度低下しているかを特定するアプリケーションは、職場での事故を防ぐ可能性があります。

多くの企業は、従業員と顧客の両方に対して品質と安全基準を設けています。そうすれば、一定の集中力が必要な作業での職業上のリスクや重大な事故を回避できるようになります。その人が疲れて職場に到着した場合、それがどれほど軽微であっても、どれほど深刻であっても、事故に遭う可能性が非常に高くなります。まず第一に、企業の従業員の安全に対価を支払えば、従業員は適切な作業環境で品質と安全基準を維持できるため、利益を得ることができます。この場合、従業員の大半が疲れていれば、その理由を特定するでしょう。同社はこれに貢献することができ、各企業の取り組みを大幅に強化することになるだろう。

一方、自動車や飛行機の事故。ドライバーやパイロットが以前の疲労を抱えていることがよくあります。この疲労を監視すれば、場合によっては命を落とすことにもなりかねない事故を避けることもできます。これが私がこのプロジェクトで最も重視した点です。

それは人それぞれの健康のためでもあります。たとえば、普段どれだけ疲れているかを監視します。何が起こっているのかを評価する必要があるだろう。私はこれを、医師や企業が疲労を常に監視できるツールと呼んでいます。

この博士号を取得した私は CITEDI [デジタル技術研究開発センター] に所属していますが、CETYS ではすべての電極を備えたヘルメット、ヘッドバンドを開発しており、これらの分野にさらに重点を置いて取り組んでいます。何が起こるのでしょうか？私たちは、精神的疲労に特化したヘッドバンドを開発できると考えています。その人はヘルメットをかぶっていたり、タコなどのような見た目ではありません。それがそこにあるものであり、この作品で最も目立つものかもしれません。

ヘッドバンドを装着したら、登録にはどのくらい時間がかかりますか?

レジストリは、何を監視する必要があるかによって異なります。私の実験は、学生にもよりますが、実質 1 時間かかります。成績が低い生徒もいれば、成績が高い生徒もいます。試験時間は最大1時間です。脳の活動や電気信号のサンプルは最大 1 時間記録されますが、それは開発したい活動に大きく依存し、人がどのように開発するかは時間の経過とともに大きく異なります。患者さん1人につき最大1時間程度かかります。

**対象読者は誰ですか?また、他の応用分野にはどのようなものがありますか?

たとえば、パイロット。私の博士論文のディレクターもパイロットなので、より多くのパイロットを使って実験を行うことができるというアイデアはそこから生まれました。私も彼にテストをしました。ドライバーの数が増えるなどの可能性があります。現在、私の実験は学生とパイロット一人を対象に行っていました。より多くの目的に拡張できる可能性があります。現在の市場に至るまで、必ずしも企業である必要はありません。一般人もそうかもしれない。

プロジェクトの短期および長期の目標は何ですか?**

つまり、私は CETYS と協力しています。私は心理学部のマリーナ・アルヴェライス博士と仕事をしてきました。彼女は神経心理学の修士号のコーディネーターです。彼らは、たとえば自閉症の子供たちのパターンやさまざまな活動を特定するために、神経科学に多くの研究を行っています。

最近、私たちはバハ カリフォルニア オーケストラの室内楽奏者の脳活動をモニタリングするプロジェクトを行いました。今のところ、分類器は作成せず、脳内で刺激されたニューロンを監視するだけでした。彼はダブルベーシストです。つまり、演奏したり、演奏したり、聴いたりするとき、私たちはそれについて研究していたのです。なぜなら？私たちは室内楽、音楽そのものが治療やそのようなことにどのような影響を与えるかを知りたいと思っています。

短期的にはそれが私たちがやっている事です。 12 月には、このすでに重要なプロジェクトに進展が見られることを願っています。 4月にプロジェクトを発表しました。彼らはコンサートで演奏しましたが、コントラバス奏者にヘッドバンドを付けることに問題はありませんでした。そのため、脳のそれらの領域を特定することができました。それが今年私たちがやったことです。短期的には、子供やあらゆる患者に可能な治療法を評価するための決定的な結果が得られることを期待しています。

長期的には、そうですね、私は研究が大好きで、ここにCETYS大学の博士と一緒に神経科学の研究室を設立したいと思っています。つまり、研究ができて、そのサービスをコミュニティに提供できるということです。ですから、それが私たちが将来やりたいことです。

**商業的な観点から言えば、企業の従業員をテストするにはどれくらいの費用がかかりますか?

私たちが開発する予定の価格はまだわかりませんが、それが私の優先事項です。市販のヘッドセットの価格は約 800 ～ 900 ドルです。開発している私たちには低コスト化という考えがあります。企業がこのサービスを必要とする場合の料金は現時点ではわかりませんが、過度なコストにはならないでしょう。今すぐ価格を提示することはできませんが、その価格はプロジェクトに応じて計算する必要があります。つまり、何を見積もりたいのか、どのくらいの処理時間を開発するのかに応じて計算する必要があります。基本的には時間単位で計算されます。レートはまだわかりませんが、それが意図です。

あなたはそれを売らないでしょうが、彼らはあなたと一緒に行かなければなりませんか？

それは進むかもしれないし、発展し始めるかもしれない。実はこの装置が完成したら、特許を申請する予定です。そこから、アルゴリズムは著者登録プロセスに入ります。複製して販売することも可能です。この種の研究において大学を支援するという考えです。したがって、コミュニティを支援することが目的であるため、過度の高額な費用がかかることはありません。

では、商業的な側面よりも研究的な側面が強いのでしょうか？

まさにその通りです。

他に何かコメントしたいことはありますか?**

プロジェクトにご興味をお持ちいただきありがとうございます。このような研究プロジェクトが促進されることを大変嬉しく思います。場合によっては、私たちの国[メキシコ]でも多くの研究開発が行われることがありますので、それを促進できるのは非常に良いことです。

CETYS では、私は電子サイバネティクスのコーディネーターを務めており、マリーナ・アルヴェライス博士と一緒に将来のプロジェクトを開発しています。私たちは協力して教育機関間のつながりを築いています。