تکامل رابط‌های مغز و کامپیوتر برای کمک به افراد فلج

به گزارش خبرنگار حوزه دریچه فناوری گروه فضای مجازی باشگاه خبرنگاران جوان، تمام حرکات ما با دستور مغز انجام می‌شود. وقتی تصمیم می‌گیریم چیزی را بخوانیم، برنامه ریزی می‌کنیم که انگشتمان به جهتی خاص برود. پس از پردازش سریع این فکر، مغز به ماهیچه‌ها دستور می‌دهد که به آن پاسخ دهند و ما آن کار را انجام می‌دهیم.

اما ماهیچه‌های افراد فلج به این سیگنال‌های مغزی واکنش نشان نمی‌دهند. مغز ممکن است قادر به ارسال سیگنال‌ها نباشد، نخاع ممکن است نتواند آن‌ها را به اعصاب برساند یا اعصاب ممکن است به آنها پاسخ ندهند. این موضوع می‌تواند به دلیل آسیب هنگام تولد یا اکتسابی در هریک از این قسمت‌های سیستم عصبی باشد. اگر آسیب دائمی باشد، فلجی نیز دائمی است. در این موارد، سازگاری برای بهبود زندگی بیماران ضروری است. به همین دلیل است که بسیاری از دانشمندان روی فناوری‌های کمکی جدید کار می‌کنند.

رابط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) یکی از امیدوارکننده‌ترین نوآوری‌ها در این زمینه است. از طریق الکترود‌ها، BCI‌ها می‌توانند سیگنال‌های مغزی را به دستوراتی برای دستگاه خروجی بخوانند و ترجمه کنند که می‌تواند مقصود کاربر را برآورده کند. به این ترتیب، افراد با عملکرد‌های حرکتی محدود می‌توانند پروتز‌های رباتیک را حرکت دهند یا با ذهن خود از رایانه استفاده کنند.

رابط‌های مغز و کامپیوتر چگونه کار می‌کنند؟

مغز از سلول‌های تخصصی به نام نورون‌ها برای انتقال پیام‌ها استفاده می‌کند. هر زمان که فکر می‌کنیم، سیگنال‌های الکتریکی کوچک از نورون به نورون منتقل می‌شود. این سیگنال‌ها با تفاوت در پتانسیل الکتریکی حمل شده توسط یون‌ها بر روی غشای هر نورون تولید می‌شوند. این سیگنال‌ها را می‌توان با استفاده از الکترود‌ها یا دستگاهی به نام الکتروانسفالوگرافی (EEG) تشخیص داد. این دستگاه‌ها تفاوت‌های کوچک در ولتاژ بین نورون‌ها را اندازه گیری می‌کنند، سپس این تفاوت‌ها توسط یک الگوریتم کامپیوتری تفسیر می‌شوند و می‌توان از آنها برای هدایت کامپیوتر‌ها یا پروتز‌ها استفاده کرد.

روش‌های مختلفی برای جمع‌آوری سیگنال‌های الکتریکی از مغز و انتقال آنها به رایانه وجود دارد. این روش‌ها عبارتند از:

روش غیر تهاجمی: الکترود‌های BCI فعالیت مغز را از طریق پوست سر اندازه گیری می‌کنند. در این روش نیازی به جراحی نیست و دستگاه با چشم غیرمسلح قابل مشاهده است.

روش نیمه تهاجمی: الکترود‌های BCI از طریق کرانیوتومی بر روی سطح مغز مانند دور سخت یا مادر آراکنوئید نصب می‌شوند.

روش تهاجمی: الکترود‌های BCI با جراحی در قشر مغز کاشته می‌شوند. این‌ها موثرترین دستگاه‌ها هستند، زیرا سیگنال‌های باکیفیت را تولید می‌کنند، اما خطر ایجاد بافت اسکار در اطراف الکترود‌ها را افزایش می‌دهند.

البته تکنیک‌های خاصی برای برقراری ارتباط بین مغز و ماشین توسط شرکت‌های مختلف مهندسی عصبی در حال تحقیق است.

سیستم‌های بی سیم BCI

این روز‌ها همه چیز بی سیم است. ما اتصالات اینترنتی بی سیم، هدفون بی سیم، صفحه کلید بی سیم داریم. پس چرا سیستم‌های BCI بی‌سیم و کاربردی نداریم؟ شرکت Neuralink، یکی از معروف‌ترین شرکت‌های مهندسی عصبی، قصد دارد یک BCI بسازد که مغز و کامپیوتر را از طریق بلوتوث به هم متصل می‌کند. در آگوست ۲۰۲۰، ایلان ماسک، مدیرعامل Neuralink، نمایش عمومی Link VO.۹ را انجام داد، یک تراشه قابل کاشت به اندازه سکه با ۱۰۲۴ الکترود که فعالیت عصبی را با کمک رشته‌های میکروسکوپی ثبت می‌کند.

این تراشه با جراحی رباتیک بسیار دقیق در مغز خوک قرار داده شد. در این آزمایش، دستگاه قادر به پیش‌بینی حرکت و اندازه‌گیری دما و فشار داخل جمجمه در زمان واقعی بود، چیزی که ماسک بیان کرد می‌تواند به پیش‌بینی سکته یا حملات قلبی کمک کند.

مأموریت اصلی Neuralink این است که با ثبت فعالیت هزاران نورون در مغز، به افراد مبتلا به ضایعات نخاعی و اختلالات عصبی کمک کند. لینک برای دریافت و رمزگشایی اطلاعات است و سپس آن را به رایانه کاربران ارسال می‌کند تا به آنها اجازه کنترل موس‌های مجازی، صفحه کلید و حتی کنترلر‌های بازی را بدهد. این که این سیستم چقدر خوب کار می‌کند، به بهبود الگوریتم‌های رمزگشایی بستگی دارد.

شرکت BrainGate، یکی دیگر از شرکت‌های فناوری عصبی در ایالات متحده، اخیراً یک BCI درون قشر با پهنای باند بالا را روی انسان آزمایش کرده است که سیگنال‌های مغزی را با استفاده از فرستنده‌های بی‌سیم خارجی به جای کابل‌ها ارائه می‌دهد. فرستنده‌ها در بالای سر کاربر قرار می‌گرفتند و از طریق همان پورت مورد استفاده توسط دستگاه‌های سیمی به حسگر‌های داخل مغز متصل می‌شدند. با استفاده از الگوریتم‌های رمزگشایی مشابه BCI‌های سیمی، دستگاه بی‌سیم در آزمایش‌های بالینی به خوبی BCI‌های سیمی عمل کرد و سیگنال‌های با وفاداری بالا و دقت مشابهی را در کنترل بیماران روی رایانه ارائه کرد.

در آزمایش‌های بالینی، دو فرد مبتلا به آسیب نخاعی از طریق BCI BrainGate به یک تبلت متصل شدند. محققان دقت و سرعت تایپ نقطه و کلیک آن‌ها را ارزیابی کردند. از آنجا که افراد توسط کابل محدود نشده بودند، بیماران استفاده از BCI BrainGate را برای دوره‌های طولانی‌تر آسان‌تر می‌دانستند.

لی هوچبرگ، استاد مهندسی در دانشگاه براون که کارآزمایی بالینی BrainGate را رهبری می‌کند، می‌گوید: "ما می‌خواهیم بفهمیم که سیگنال‌های عصبی چگونه در طول زمان تکامل می‌یابند. با استفاده از این سیستم، ما می‌توانیم فعالیت مغزی را در خانه و در طول دوره‌های طولانی به گونه‌ای بررسی کنیم که قبلاً تقریباً غیرممکن بود. این موضوع به ما کمک می‌کند تا الگوریتم‌های رمزگشایی را طراحی کنیم که باعث برقراری ارتباط بدون نقص، بصری و قابل اعتماد برای افراد مبتلا به فلج شود. "

آرایه ضبط الکترود‌های استنت

این دستگاه که با نام Stentrode نیز شناخته می‌شود، توسط تیمی از دانشگاه ملبورن ساخته شده است. این دستگاه شامل یک آرایه الکترود است که روی یک استنت کوچک نصب شده است. درست مانند یک استنت معمولی داخل جمجمه، دستگاه با یک کاتتر در رگ خونی مغز کاشته می‌شود. مزیت اصلی این روش این است که جراحی مغز باز با یک برش کوچک در گردن جایگزین می‌شود.

در سال ۲۰۲۰، Stentrode با موفقیت بر روی دو بیمار مبتلا به بیماری‌های نورون حرکتی آزمایش شد که موفق شدند یک سیستم عامل مبتنی بر رایانه را از طریق یک ردیاب چشم برای ناوبری مکان‌نما کنترل کنند. به این ترتیب، شرکت کنندگان آزمایش موفق شدند از مغز خودشان برای نوشتن متن، ایمیل و خرید آنلاین استفاده کنند.

تراشه عصبی

این تراشه، حسگر‌های عصبی مبتنی بر سیلیکون به اندازه یک دانه نمک هستند. این تراشه‌های ریزمقیاس، پالس‌های الکتریکی نورون‌ها را ضبط می‌کنند و، چون در سراسر مغز پخش می‌شوند، می‌توانند حجم عظیمی از داده‌ها را به یک هاب مرکزی خارجی منتقل کنند.

مزیت اصلی این سیستم BCI این است که بسیاری از نقاط مختلف مغز را پوشش می‌دهد. تا به حال، بیشتر BCI‌ها دستگاه‌های یکپارچه و کمی شبیه تخت‌های سوزنی کوچک بوده اند. آرتو نورمیکو، استاد دانشکده مهندسی براون که این تحقیق را رهبری می‌کند، توضیح داد: "ایده تیم ما این بود که این دستگاه یکپارچه را به حسگر‌های کوچکی که می‌توان در سراسر قشر مغز توزیع کرد، تجزیه کنیم. "

حسگر مرکزی وصله‌ای است که روی پوست سر قرار می‌گیرد و از پروتکل شبکه برای هماهنگی سیگنال‌ها به صورت جداگانه استفاده می‌کند (هر عصب عصبی آدرس شبکه خود را دارد). همچنین مقدار کمی الکتریسیته به تراشه عصبی می‌فرستد تا به صورت بی سیم از بیرون جمجمه به آنها انرژی دهد. پالس‌های الکتریکی مشابهی را می‌توان برای تحریک فعالیت عصبی ارسال کرد. محققان امیدوارند که این دستگاه بتواند به افراد مبتلا به فلج کمک کند تا عملکرد مغز را بهبود ببخشند و همچنین افراد مبتلا به بیماری پارکینسون و صرع را درمان کنند.

با این حال، تاکنون، دانه‌های عصبی فقط بر روی جوندگان آزمایش شده اند، مغز کوچک آن‌ها فقط به ۴۸ دانه نیاز دارد در حالی که مغز انسان به حدود ۷۷۰ دانه نیاز دارد.

سایر کاربرد‌های رابط‌های مغز و کامپیوتر

اگرچه مطالعات اصلی BCI دارای انگیزه‌های پزشکی هستند، مرسدس بنز، خودروساز آلمانی اخیراً بیانیه‌ای مطبوعاتی در مورد ترکیب فناوری‌های BCI منتشر کرده است که خودروی مفهومی ویژن AVTR آن را شامل می‌شود. هدف نهایی خودروسازان ساده کردن عملکرد خودرو و تعامل بیومتریک با کنترل رابط کاربری از طریق فعالیت مغز است. به عبارت دیگر، می‌توان هنگام رانندگی از هدست استفاده و رادیو و چراغ‌ها را روشن کرد و حتی روزی ماشین را تنها با کمک ذهن حرکت داد.

از سوی دیگر، ایلان ماسک اعلام کرده است که دستگاه‌های Neuralink می‌توانند در آینده توسط افراد سالم نیز استفاده شوند. اگر دستگاه‌های BCI یاد بگیرند که با سایر نواحی مغز ارتباط برقرار کنند، می‌توانند کاربرد‌های دیگری به جز پزشکی داشته باشند. به عنوان مثال، BCI‌ها را می‌توان برای هوش افزوده، زیرشاخه‌ای از یادگیری ماشینی که بر بهبود شناخت انسان با کمک هوش مصنوعی متمرکز است، استفاده کرد.

در مجموع، BCI‌ها می‌توانند به گسترش ذهن ما کمک کنند، ابزاری عصبی برای فراتر رفتن از محدودیت‌های طبیعی فعالیت‌های حسی، شناختی و حرکتی.

بیشتر بخوانید

• دانشمندان موفق به اتصال مغز انسان با کامپیوتر بی سیم شدند

گزارش از مائده زمان فشمی

انتهای پیام/