Время от времени на работе все хотят спать, особенно после плотного обеда. Но для людей, чья работа связана с вождением или работой с тяжелой техникой, сонливость может быть крайне опасной, если не смертельной.

Ежегодно в США сонливость становится причиной сотен смертельных случаев на дорогах, а Национальный совет по безопасности назвал сонливость критической опасностью в строительстве и горнодобывающей промышленности.

Чтобы защитить водителей и операторов машин от опасности засыпания, инженеры Калифорнийского университета в Беркли создали прототип наушников, которые могут определять признаки сонливости в мозге.

Наушники-вкладыши обнаруживают мозговые волны таким же образом, как электроэнцефалограмма (ЭЭГ), тест, который врачи используют для измерения электрической активности мозга. В то время как большинство ЭЭГ обнаруживают мозговые волны с помощью ряда электродов, прикрепленных к голове, наушники-вкладыши делают это с помощью встроенных электродов, которые предназначены для контакта с ушным каналом.

Электрические сигналы, обнаруживаемые наушниками, слабее, чем те, которые улавливает традиционная ЭЭГ. Однако в новом исследовании, опубликованном в Nature Communications , исследователи показывают, что их платформа Ear EEG достаточно чувствительна для обнаружения альфа-волн — паттерна мозговой активности, который усиливается, когда вы закрываете глаза или начинаете засыпать.

«Я был вдохновлен, когда купил свою первую пару AirPods от Apple в 2017 году. Я сразу подумал: «Какая потрясающая платформа для нейронной регистрации»», — сказал старший автор исследования Рикки Мюллер, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли.

«Мы считаем, что эта технология имеет множество потенциальных применений, и что классификация сонливости является хорошим показателем того, что технологию можно использовать для классификации сна и даже диагностики расстройств сна».

Использование вкладыша в качестве электрода ЭЭГ создает ряд практических проблем. Для получения точной ЭЭГ электроды должны иметь хороший контакт с кожей. Этого относительно легко достичь в традиционных ЭЭГ, которые используют плоские металлические электроды, прикрепленные к коже головы. Однако гораздо сложнее разработать вкладыш, который будет плотно и удобно сидеть в ушах самых разных размеров и форм.

Когда команда Мюллер начала работать над проектом, другие группы, разрабатывающие платформы Ear EEG, либо использовали влажные электродные гели для обеспечения хорошей герметизации между наушником-капелькой и ушным каналом, либо создавали индивидуальные вкладыши для каждого пользователя. Она и ее команда хотели разработать модель, которая была бы сухой и универсальной для пользователя, чтобы любой мог вставить их в уши и получить надежные показания.

«Моей личной целью было попытаться создать устройство, которое мог бы использовать каждый день тот, кто действительно извлек бы из этого пользу», — сказал Райан Кавех, постдокторант Калифорнийского университета в Беркли и соавтор исследования. «Чтобы сделать это, я знал, что оно должно быть многоразовым, подходить разным людям и [быть] простым в производстве».

Кавех руководил исследованием совместно с аспиранткой Кэролин Швендеман и сотрудничал с лабораторией Аны Ариас в Калифорнийском университете в Беркли, чтобы разработать окончательный вариант наушника в трех размерах: маленький, средний и большой.

Наушник включает в себя несколько электродов в консольной конструкции, которая оказывает мягкое внешнее давление на ушной канал и использует гибкую электронику для обеспечения удобной посадки. Сигналы считываются через настраиваемый беспроводной электронный интерфейс с низким энергопотреблением.

В статье 2020 года исследователи показали, что эти наушники могут распознавать ряд физиологических сигналов, включая моргание глаз, альфа-волны мозга и устойчивую слуховую реакцию, которая является реакцией мозга на восприятие звука постоянной высоты.

В новом исследовании они улучшили конструкцию наушников и внедрили машинное обучение, чтобы продемонстрировать, как наушники можно использовать в реальных условиях.

В рамках эксперимента они попросили девять добровольцев надеть наушники, выполняя ряд скучных задач в темной комнате. Время от времени добровольцев просили оценить уровень их сонливости, и измерялось время их реакции.

«Мы обнаружили, что даже когда качество сигнала от наушников казалось хуже, мы все равно могли классифицировать начало сонливости с той же степенью точности, что и гораздо более сложные и громоздкие системы», — сказал Кавех.

Наушники также сохраняют точность при определении сонливости у совершенно новых пользователей, что является характеристикой устройств, которые могут работать «из коробки».

Мюллер, разработавший Ear EEG, продолжает совершенствовать конструкцию и изучать другие потенциальные применения устройства, которое также может регистрировать сигналы помимо ЭЭГ, такие как сердцебиение, движения глаз и сжатие челюстей.

«Беспроводные наушники — это то, что мы уже носим постоянно», — сказал Мюллер. «Именно это делает Ear EEG таким убедительным подходом к носимым устройствам. Для этого не требуется ничего дополнительного».