توسعه رابط های مغز و کامپیوتر برای کمک به افراد فلج


BCIها یکی از امیدوار کننده‌ترین نمونه از فناوری‌های کمکی هستند. برای افرادیکه سیگنال‌های مغزی برای حرکت دادن بدن کارایی ندارند، BCIها می‌توانند آینده امیدوارکننده‌ای را به ارمغان آورد. در ادامه این مقاله از مجله فناوری‌های توان افزا و پوشیدنی به معرفی و مرور انواع رابط‌های مغز و رایانه و کاربرد آن می‌پردازیم.

رابط مغز و رایانه

تمام حرکات بدن از مغز نشات می‌گیرد. انجام هر کاری، به سرعت توسط مغز پردازش می‌شود و مغز سیگنال مناسب را برای انجام حرکت درست به ماهیچه‌ها ارسال می‌کند. اما ماهیچه‌های افراد فلج به این سیگنال‌های مغزی واکنش نشان نمی‌دهند. ممکن است مغز نتواند سیگنال‌ها را ارسال کند یا ممکن است نخاع آن‌ها را به اعصاب نرساند یا اعصاب به آنها پاسخ ندهند. این عارضه به دلیل آسیب مادرزادی یا اکتسابی در هر یک از این قسمت‌های سیستم عصبی ممکن است رخ دهد.

اگر آسیب دائمی باشد، اندام فرد فلج شده است. در این موارد، سازگاری برای بهبود زندگی بیماران ضروری است. به همین دلیل بسیاری از دانشمندان در حال تحقیق و توسعه بر روی فناوری‌های کمکی جدید هستند.

رابط‌های مغز و رایانه (BCI) یکی از نویدبخش‌ترین نوآوری‌ها در این زمینه است. ‌BCIها از طریق الکترودها، می‌توانند سیگنال‌های مغزی را به دستوراتی برای دستگاه توانبخشی ترجمه کنند. به این ترتیب ، افراد با محدودیت حرکتی می‌توانند مطابق با خواسته خود این دستگاه‌ها را به حرکت درآورند.

رابط های مغز و کامپیوتر چگونه کار می کنند؟

مغز از سلول‌هایی به نام نورون برای انتقال پیام استفاده می‌کند. هر زمان که فکر می‌کنیم، سیگنال‌های الکتریکی کوچکی از یک نورون به نورون دیگر منتقل می‌شوند. این سیگنال‌ها در اثر اختلاف پتانسیل الکتریکی که یون‌ها بر غشای هر نورون حمل می‌کنند، ایجاد می‌شوند. این سیگنال‌ها را می‌توان با استفاده از الکترودها یا دستگاهی به نام الکتروانسفالوگراف (EEG) تشخیص داد. این دستگاه‌ها اختلاف ولتاژ بین نورون‌ها را اندازه‌گیری می‌‌کنند. سپس این اختلاف ولتاژها توسط یک الگوریتم رایانه‌ای تفسیر و از آن برای هدایت دستگاه‌های توانبخشی استفاده می‌شود.

از چندین روش برای جمع آوری سیگنال‌های الکتریکی از مغز و انتقال آن‌ها به رایانه‌ها استفاده می‌شود.
این روش ها عبارتند از:
غیر تهاجمی: الکترودهای BCI فعالیت مغز را از طریق پوست سر اندازه‌گیری می‌کنند. نیازی به جراحی نیست و دستگاه با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است.
نیمه تهاجمی: الکترودهای BCI از طریق craniotomy بر روی سطح در معرض سیگنال‌های مغزی قرار می‌گیرند.
تهاجمی: الکترودهای BCI با عمل جراحی در قشر مغز کاشته می‌شوند. این دستگاه‌ها موثرترین عملکرد را دارند زیرا سیگنال‌های با کیفیتی را تولید می‌کنند، اما خطر ایجاد بافت scar در اطراف الکترودها را افزایش می‌دهند.

پژوهش در مورد تکنیک‌های خاص برای برقراری ارتباط بین مغز و ماشین توسط شرکت‌های مختلف مهندسی عصبی در حال انجام است.

رابط مغز و رایانه

سامانه های بی سیم BCI

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، مدیر عامل Neuralink، در یک همایش عمومی Link VO.9 را معرفی کرد، یک تراشه قابل کاشت به اندازه سکه با ۱۰۲۴ الکترود که فعالیت عصبی را با کمک رشته های میکروسکوپی ثبت می‌کند.

این تراشه با جراحی رباتیک بسیار دقیق در مغز خوک قرار داده شد و قادر به پیش بینی حرکت و اندازه‌گیری دما و فشار داخل جمجمه به صورت لحظه‌ای بود. ایلان ماسک اظهار داشت این تراشه می‌تواند به پیش بینی سکته مغزی یا حمله قلبی کمک کند.

طبق شعار وب سایت این شرکت، ماموریت اصلی Neuralink کمک به افراد مبتلا به آسیب‌های نخاعی و اختلالات عصبی به وسیله ثبت فعالیت هزاران نورون در مغز است. این تراشه‌ها برای دریافت و رمزگشایی اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرند و سپس آن را به رایانه کاربران ارسال می‌کند تا به آن‌ها اجازه کنترل موس‌های مجازی، صفحه کلید و حتی کنترلرهای بازی را بدهد. کیفیت عملکرد این سیستم به بهبود الگوریتم‌های رمزگشایی بستگی دارد.

رابط مغز و رایانه

BrainGate

BrainGate، یکی دیگر از شرکت‌های فعال در این حوزه است. این شرکت اخیراً آزمایشی را با قرار دادن یک BCI درون قشر مغز انسان به انجام رسانده است. طی این آزمایش تراشه سیگنال‌های مغزی را با استفاده از فرستنده‌های بی‌سیم خارجی به جای کابل‌ها ارسال می‌کند.

فرستنده‌ها در بالای سر کاربر قرار می‌گرفتند و از طریق همان پورت مورد استفاده توسط دستگاه‌های سیمی به حسگرهای داخل مغز متصل می‌شدند. همچنین برای رمزگشایی سیگنال‌ها از الگوریتمهای رمزگشایی BCIهای سیمی، استفاده شده است که نتیجه مطلوبی را به همراه داشته است.

در آزمایشات بالینی، دو فرد مبتلا به آسیب نخاعی از طریق BCI BrainGate به یک رایانه متصل شدند. محققان دقت کلیک و سرعت تایپ آن‌ها را ارزیابی کردند. از آنجایی که در این سیستم کابل وجود نداشت، استفاده از BCI BrainGate را برای دوره‌های طولانی‌تر آسانتر شد.

Leigh Hochberg، 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 این سیستم، می‌توانیم فعالیت مغز را در خانه و در دوره‌های طولانی به‌گونه‌ای بررسی کنیم که قبلاً غیرممکن بوده است. این موضوع به ما کمک می‌کند تا الگوریتم‌های رمزگشایی را به گونه‌ای طراحی کنیم که بازیابی بی‌وقفه، شهودی و قابل اعتماد ارتباطات و تحرک را برای افراد فلج فراهم می‌کند.»

الکترودهای استنت مانند

این الکترودها با نام Stentrode هم شناخته می‌شوند. گروهی در دانشگاه ملبورن این وسیله را توسعه داده‌اند. Stentrode یک آرایه الکترود با یک استنت کوچک است. درست مثل یک استنت معمولی این وسیله داخل رگ‌های خونی مغز وارد می‌شود. نخستین حسن Stentrode این است که جراحی تهاجمی کاشت را تا حد یک شکاف ورودی روی گردن کاهش می‌دهد.

در سال ۲۰۲۰ برای نخستین بار دو بیمار از Stantrode استفاده کردند که در نتیجه آن توانستند با فناوری ردیابی چشم موس را حرکت دهند. این دو بیمار به نقص حرکتی در بدن دچار بودند. با این وسیله امکان خرید آنلاین، ارسال ایمیل و استفاده از انواع متن تنها با قدرت فکر برای این افراد ممکن شد.

Neurograin

Neurograin نامی است که سازندگان این وسیله در دانشگاه Brown به آن داده‌اند. Neurograin در واقع یک حسگر سیلیکونی به اندازه یک دانه نمک است. این ادوات میکرومقیاس پالس‌های الکتریکی نورون‌ها را ثبت می‌کنند. اگر این وسیله در سراسر مغز پخش باشد امکان ثبت و انتقال مقادیر گسترده از داده به یک بیرون مغز وجود خواهد داشت.
نخستین حسن این سامانه BCI پوشش نقاط مختلف در مغز است. تا کنون بیشتر دستگاه‌های ارتباط مغز-رایانه ساختاری سوزن مانند داشته‌اند. ایده این گروه یافتن روشی بود که به واسطه آن بتوان یک BCI داخل قشر مغز داشت.

گامی به سوی نسل آینده سامانه های رابط مغز و رایانه

این پژوهش در دانشگاه Brown توسط پروفسور Arto Nurmikko هدایت شده است.
قطب مرکزی در واقع یک دسته در هم تنیده داخل جمجمه است که از پروتکل‌های شبکه برای پخش سیگنال‌های خود استفاده می‌کند. همچنین مقدار اندکی الکتریسیته برای روشن کردن Neurograin ها به صورت بیسیم از خارج جمجمه کافیست. این ادوات با ارسال سیگنال‌های مشابه مغز، کار سلول‌های مغز را شبیه‌سازی می‌کنند. پژوهشگران امیدوارند این وسیله به مبتلایان به پارکینسون یا افرادی که از معلولیت رنج می‌برند برای بازیابی حرکت کمک کننده باشد.

Neurograinها تاکنون تنها روی جوندگان آزمایش شده‌اند. مغز جوندگان تنها ۴۸ دانه از این ادوات را نیاز دارد اما در مغز انسان ۷۷۰ عدد نیاز است.

سایر کاربردهای رابط های مغز و رایانه

هرچند اصلی‌ترین انگیزه مطالعه رابط‌های مغز و رایانه انگیزه پزشکی است، شرکت Mercedes-Benz در آلمان در پی استفاده از این فناوری در طرحی بانام Vision AVTR است. هدف نهایی این سازنده اتومبیل ساده سازی برهم‌کنش کاربر با ماشین است.
به عبارتی کاربر باید یک کلاه یا سرپوش را استفاده می‌کند که به واسطه آن روشن و خاموش شدن رادیو، چراغ‌ها و شاید رانندگی را به کمک ذهن انجام دهد.

از طرف دیگر شرکت Neuralink نیز طرحی دارد که شاید در آینده محقق شود. دستگاه BCI این شرکت می‌آموزد که چگونه با سایر نقاط مغز ارتباط برقرار کند. بنابراین این دستگاه کاربردهای دیگری به جز کاربردهای پزشکی نیز دارد. به عنوان مثال در بخشی هوش مصنوعی برای ارتقای قابلیت شناختی انسان از دستیار هوشمند خود قابل استفاده است. این بخش از هوش مصنوعی Augmented Intelligence نامیده می‌شود.

به عبارتی BCI درنهایت می‌تواند نوعی گستره از مغز شود یا وسیله‌ای باشد که از به کمک آن قابلیت‌های حسی، شناختی و حرکتی انسان افزایش یابد.


رابط های مغز و رایانه چگونه روابط ما با رایانه ها را تغییر میدهند
گامی به سوی نسل آینده سامانه های رابط مغز و رایانه
رباتیک پوشیدنی و رابط های مغز و رایانه موجب بهبود توانبخشی سکته مغزی میشوند


منبع: interestingengineering

«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *