فناوری پروتز عصبی (Neuroprosthetic)، کنترل اندام‌های مصنوعی با کمک سیگنال‌های مغزی را ممکن می‌سازد. طراحی و ساخت پروتزهای عصبی به سرعت در حال پیشرفت است. امروزه شاهد پیشرفت فناوری‌های کنترل‌شونده با مغز توسط دانشگاه‌ها و شرکت‌های خصوصی همچون شرکت Neuralink ایلان ماسک هستیم. اندام‌های مصنوعی عصبی، تجربه‌ی حس لامسه و حرکت طبیعی را برای افراد فلج کامل و قطع عضو فراهم می‌کنند. هنوز موانع بسیاری برای ارائه‌ی اسکلت‌های بیرونی کنترل شونده با مغز وجود دارد. در این مقاله به معرفی پیشرفت‌های پروتزهای عصبی می‌پردازیم. با مجله‌ی فناوری‌های توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.

در جام‌جهانی ۲۰۱۴، جولیو پینتو (Juliano Pinto) با کمک اسکلت بیرونی کنترل شونده با مغز توانست در آغاز بازی‌های جام جهانی، به توپ ضربه‌ بزند. جولیو پینتو دچار پاراپلژی یا فلج کامل است. بنیاد علمی آمریکا (NSF) در ویدیوی زیر توضیح می‌دهد چگونه ممکن است حتی با آسیب نخاعی کامل و فلج کامل ناممکن را به ممکن تبدیل کرد و به توپ فوتبال ضربه زد.

بررسی فناوری پروتز عصبی و رابط های مغز-رایانه (BCI)

رابط‌های مغز- رایانه، توسعه‌ی اندام‌های مصنوعی عصبی را امکان‌پذیر می‌کنند. این فناوری اجازه می‌دهد ارسال و دریافت سیگنال میان رایانه و مغز انجام شود. پروتزهای مایوالکتریک کنونی با ترجمه‌ی سیگنال‌های مغزی و اندام‌های باقی‌مانده سبب حرکت اندام مصنوعی می‌شوند. همچنین افرادی که از اندام مصنوعی استفاده می‌کنند با کمک فناوری پروتز عصبی، قادر به کنترل پروتزهای مصنوعی هستند. تجربه‌ی بازخورد لمسی نیز یکی از نتایج به کارگیری فناوری پروتز عصبی است.

سال پیش، یک زن ایتالیایی نمونه‌ی نخست یک پروتز عصبی را امتحان کرد. سیگنال‌های ارسالی از پروتز عصبی به مغز او سبب شد، نرمی و سختی اشیایی را که در دست مصنوعی خود می‌گیرد حس کند. جزییات این پروتز عصبی را می‌توانید در این مقاله دنبال کنید.

فناوری رابط مغز-رایانه چگونه کار می‌کند؟

پروتزهای عصبی ارتباط سامانه‌ی عصبی با کاربر را از طریق الکترودها فراهم می‌کنند. فعالیت‌های مغزی ثبت می‌شود و در هدایت اندام‌های مصنوعی به کار می‌رود. فعالیت‌های مغزی ثبت شده مشابه سیگنال‌های طبیعی ارسالی از مغز به اندام سالم بدن است. از سوی دیگر، در فناوری بازخورد لمسی، فناوری محاسباتی، اطلاعات بازخوردی از اندام مصنوعی را به سیگنال‌های مغزی تبدیل می‌کند.

الکترودهای پروتز عصبی می‌تواند به صورت الکترود متصل به پوست سر و یا الکترود کاشتنی در اعصاب محیطی بدن استفاده شوند. حتی می‌توان الکترودهای کاشتنی در مغز به کار برد. هر کدام از این روش‌ها مزایا و معایب خود را دارند.

الکترودهای متصل به پوست سر: الکترودهایی که بر پوست سر قرار می‌گیرند از سیکنال‌های EEG برای خواندن فعالیت‌های مغزی استفاده می‌کنند. این روش، روش ثبت غیرتهاجمی به شمار می‌آید. با توجه به فاصله‌ی پوست و جمجمه، امواج ثبت شده توسط الکترودها تنها برای گزینه‌های کنترلی ساده کاربردی هستند.

الکترودهای کاشتنی در اعصاب محیطی : در مورد زن ایتالیایی با دست پروتز عصبی، الکترودها در عصب‌های بازوی او کاشته شد. یکی از چالش‌های الکترودهای کاشتنی، واکنش سیستم ایمنی بدن به الکترودها و کاهش کیفیت عملکرد آن‌ها است.

الکترودهای کاشتنی در مغز : این نوع الکترودها، به الکترودهای درون پارانشیمی (intraparenchymal electrodes) نیز شناخته می‌شوند. با به کارگیری این الکترودها، شخص می‌تواند گزینه‌های کنترلی پیچیده‌تر از جمله بلند کردن و گرفتن اشیا همچون فنجان و تخم مرغ را انجام دهد. کاشت الکترود یک روش تهاجمی به شمار می‌آید. این روش ثبت سیگنال‌های مغزی به الکتروکورتیکوگرافی (ECoG) نیز شناخته می‌شود. دانشگاه پیتسبرگ واقع در ایالت پنسلوانیا آمریکا برای کنترل یک دست رباتیک از الکترود کاشتنی در مغز بهره برد. جزییات این پژوهش را می‌توانید در این مقاله مطالعه کنید.

کاربرد نقشه‌برداری مغز و هوش مصنوعی در اندام مصنوعی

ما چطور می‌توانیم پروتزی داشته باشیم که بتواند یاد بگیرد بر اساس قصد کاربر و فعالیت مغزی او حرکت کند؟ فرآیند یادگیری سامانه‌ی پروتز با آموزش و کالیبراسیون آغاز می‌شود. از طریق الگوریتم‌های یادگیری ماشین (Machine Learning) به پروتز آموزش داده می‌شود که با توجه به سیگنال‌های مغزی و قصد کاربر حرکت کند. با الگوریتم‌های نوین یادگیری ماشین و هوش مصنوعی فرآیند آموزش با سرعت بیشتری انجام می‌شود. پروتزهای مایوالکتریک کنونی به زمان زیادی برای آموزش و کالیبراسیون نیاز دارند. پروتزهای آینده با روش‌هایی مانند پتانسیل‌های وابسته به رخداد (Error-Related Potential) به ارزیابی سیگنال‌های مغزی می‌پردازند. بنابراین، پروتز قصد کاربر را در حرکت اندام مصنوعی سریع‌تر درک می‌کند.

پتانسیل‌های وابسته به رخداد (ERP) پتانسیل‌های کوچکی هستند، که توسط مغز و در پاسخ به یک اتفاق یا تحریک خارجی تولید می‌شوند. پتانسیل‌های وابسته به رخداد بر روی سیگنال مغزی (EEG) افراد ظاهر می‌شوند و می‌توانند در اثر محرک‌های مختلف حسی، حرکتی یا شناختی ایجاد شوند. ERP یکی از مولفه‌های بسیار پرکاربرد در پژوهش‌های حوزه‌های مختلف همچون علوم شناختی، روانشناسی شناختی، مطالعات علوم اعصاب و .. به شمار می‌رود. سیگنال‌های ERP معمولاً بر اساس میزان تأخیر (فاصله زمانی میان تحریک و وقوع پتانسیل‌های وابسته به رویداد در سیگنال مغزی) و دامنه، به انواع مختلفی همچون مولفه‌های N100، P300 و .. تقسیم می‌شوند.

آینده‌ی پروتز عصبی چگونه خواهد بود؟

حوزه‌ی سخت‌افزار به مرحله‌ای رسیده است که پژوهشگران می‌توانند ایده‌های خود را به راحتی عملی کنند و پروتزهای شگفت‌انگیزی بسازند. دکتر هیو هر (Hugh Herr)، مدیر گروه مکاترونیک آزمایشگاه رسانه ام‌آی‌تی (MIT Open Media Lab) دو پای خود را از دست داده است. او پروتز مایوالکتریک ساخته است که حرکت‌های طبیعی دارد. این پروتز بر اساس تحریک محیطی و سیگنال‌های بخش باقی‌مانده پاها کار می‌کند.

گروه پژوهشی دکتر هیو هر هم‌اکنون در حال آزمایش فناوری‌های گوناگون همچون رشد و انتقال اعصاب از طریق آرایه‌های میکروکانال (micro-channel array) هستند. این فناوری بازخورد لمسی را برای کاربر فراهم می‌کند. بنابراین پروتز مصنوعی به اندام واقعی شبیه می‌شوند. در سخنرانی TED آقای هیو هر در سال ۲۰۱۴، او معلولیت را به عنوان شکست فناوری توصیف می‌کند. سپس طراحی پروتز و پژوهش‌های آزمایشگاهی خود را مورد بحث قرار می‌دهد. مغز انسان عضوی پیچیده است. یادگیری چگونگی ارتباط میان مغز و ماشین کار آسانی نیست. دانشمندان با جدیت بسیار بر این موضوع ارتباط مغز-رایانه کار می‌کنند.

بیشتر بخوانیم:

اسکلت بیرونی رباتیک Keeogo ، یک دستگاه کمکی پیاده روی

اسکلت بیرونی رباتیک چگونه به راه رفتن کودکان فلج مغزی کمک می کند ؟

بازوی بیونیک چه زمانی برای افراد قطع عضو مقرون به صرفه خواهد شد؟

منبع: amputee-coalition

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