Experiment: Augenpotentiale (das EOG)

Hintergrund

Inspiriert von einem Prototyp, den José Enrique López Pérez, Student der Elektrotechnik in Oaxaca, Mexiko, gebaut hat.

Während es ziemlich bekannt ist, dass Herz und Gehirn elektrische Potentiale erzeugen, wissen Sie vielleicht nicht, dass auch Ihr ganzes Auge ein Potential hat! Es verändert sich nicht so schnell in Form von „Impulsen“ wie Herz und Gehirn, aber es hat eine Spannungsdifferenz, die wir messen können. Insbesondere die Vorderseite des Auges, wo sich die Hornhaut befindet, ist positiver als die Rückseite des Auges (wo sich die Netzhaut befindet).

Mit dieser Potentialdifferenz ist das Auge ein elektrischer Dipol. Und wenn sich Dipole bewegen, verursachen sie elektrische Feldänderungen, die beobachtet werden können. Wenn man die Augen von links nach rechts oder von oben nach unten bewegt, entsteht eine elektrische Ablenkung, die wir als elektrookulographisches Signal (EOG) messen können. Indem wir die Elektroden unseres BYB-Stirnbandes so anbringen, dass jede Elektrode auf einer Seite des Auges liegt, können wir die Bewegung von links nach rechts erkennen. Wenn wir eine Elektrode über dem Auge und eine weitere Elektrode unter dem Auge anbringen, können wir Auf- und Abwärtsbewegungen sowie Blinzeln erkennen. Was ist das mit dem Blinzeln? Ja, wir können auch Blinzeln erkennen! Wir glauben jedoch, dass dies auf das elektromyographische Signal der Augenblinzelmuskeln zurückzuführen ist und nicht auf die Bewegung des Auges. Aber damit kann man interessante Schnittstellen wie Blinzeldetektoren bauen.

Nun wollen wir das Signal beobachten und messen!

Downloads

Bevor du beginnst, stelle sicher, dass du den Backyard Brains Spike Recorder auf deinem Computer oder mobilen Gerät installiert hast. Mit dem Programm Backyard Brains Spike Recorder kannst du die Daten auf deinem Computer/Tablet/Telefon visualisieren und speichern, wenn du Experimente durchführst.

Vorgehensweise

In diesem „Augenpotential“-Experiment werden wir die Veränderung des Augenpotentials messen, wenn wir unsere Augen bewegen.

1. Wir beginnen mit der Bewegung des Auges nach links und nach rechts. Nehmen Sie Ihr BYB-Stirnband und platzieren Sie es so, dass die Elektroden auf beiden Seiten und am Auge positioniert sind.
2. Fügen Sie Kügelchen mit Elektrodengel unter den Metallpflastern im Stirnband hinzu.
3. Fügen Sie nun ein Elektrodenpflaster auf dem knöchernen Vorsprung hinter Ihrem Ohr (dem Warzenfortsatz) hinzu.
4. Hinweis: Eine alternative Elektrodenanordnung besteht darin, beide Elektrodenpflaster auf beiden Seiten der Schläfen, auf der Außenseite der Augen, anzubringen.
5. Jetzt ist es an der Zeit, die Elektroden anzuschließen! Bringen Sie die roten Krokodilklemmen an den Elektroden um das Auge herum an, und die schwarze Krokodilklemme auf dem Boden hinter Ihrem Ohr. Welches Rot sich an welcher Stelle um das Auge herum befindet, ist für die Einführungsexperimente nicht wichtig.
6. Schließen Sie die Elektrodenkabel an die SpikerBox an, es ist der orangefarbene Stecker.
7. Richte die SpikerBox und das Spike-Recorder-Programm ein. Da die Filtereinstellungen dieses Verstärkers genau im Sweet Spot der elektrischen Systeme von Häusern liegen, müssen Sie bei diesem Experiment sehr auf Rauschen achten. Stellen Sie Ihren Laptop und die SpikerBox weit entfernt von Steckdosen, Leuchtstoffröhren usw. auf. Außerdem sollte der Laptop nur mit Akkustrom betrieben werden.
8. Dieses Experiment ist einfacher, wenn du einen Freund hast, der dich beobachtet. Wenn das Signal kommt, bewege deine Augen nach links. Du solltest eine Ablenkung in eine Richtung sehen, gefolgt von einer schnellen Ablenkung in eine andere Richtung. Wenn du deine Augen nach rechts bewegst, wechselt das Signal die Polarität.
9. Jetzt werden wir versuchen, Auf- und Abwärtsbewegungen im Vergleich zum Blinzeln aufzuzeichnen. Bringen Sie mit dem Stirnband eine Elektrode über dem Auge an und platzieren Sie eine Aufklebeelektrode unter Ihrem Auge. Befestige die roten Krokodilklemmen an den Elektroden über und unter dem Auge und die schwarze Erdungsklemme an der Erde hinter dem Ohr.
10. Blinzle nun gegen die Auf- und Abwärtsbewegung deiner Augen. Was beobachtest du?
11. Um die Daten aufzuzeichnen, kannst du die rote Aufnahmetaste auf der Spike Recorder Software drücken.
12. Und du bist fertig! Es ist uns nicht entgangen, dass man mit diesem Signal vielleicht eine Schnittstelle bauen könnte. Versuchen Sie es!

Diskussion / Weitere Arbeit

1. Könnten Sie diese Schnittstelle zur Steuerung eines Videospiels verwenden? Wo wäre das Hauptproblem dabei?
2. Unsere SpikeRecorder Software ist so konzipiert, dass sie einfach zu bedienen ist, aber wenn du eine Schnittstelle hacken willst, kannst du unseren Legacy Processing Sketch modifizieren, der auch die Daten speichert und anzeigt. Laden Sie es hier herunter. Dazu müssen Sie einen anderen Arduino-Sketch verwenden, den Sie unter diesem Link finden.

Anmerkungen

Gracias geht an Italo Ahumada Morasky, einen chilenischen Künstler, der unseren serbischen Helden auf Wunsch von Jose illustriert hat.

Projektideen für die Wissenschaftsmesse

• Sehen die Potentiale anders aus, wenn die Augen offen oder geschlossen sind? Warum oder warum nicht?
• Experimentiere mit der Platzierung der EOG-Elektroden. Wie wirkt sie sich auf das Signal aus?
• Wird die Amplitude des Potenzials davon beeinflusst, wie weit Sie Ihre Augen bewegen? Wie schnell? Welche anderen Variablen könnten Ihrer Meinung nach einen Einfluss haben und warum?
• Wie wirkt sich die Platzierung der Elektroden auf das erzeugte Potenzial aus? Das heißt, wo im Verhältnis zur Bewegung des Auges und wie weit vom Auge entfernt. Warum hat es diese Auswirkungen? Denken Sie über die Physik nach, wie das Potenzial erzeugt wird und wie sich Elektrizität im Körper bewegt.
• Versuchen Sie Bewegungen, die nur Ihre Augenlider erfordern – schließen Sie Ihre Augen (langsam), blinzeln Sie, öffnen Sie sie weit. Warum gibt es dafür kein EOG, und wenn doch, wie ist es im Vergleich zu den früheren?
• Wirkt sich aus, ob jemand eine Brille braucht oder nicht? Warum oder warum nicht? Wenn ja, was ist der Effekt?