در ابتدا این کار تخیلی به نظر می‌رسد که انسان‌ها با استفاده از کنترل مغز، اندام رباتیک و حتی اندام فلج خود را کنترل کنند ولی این هدف آینده مهندسی اعصاب است. در مرکز CSNE که مرکزی میان رشته‌ای مستقر در دانشکده مهندسی دانشگاه واشنگتن است، مهندسی و پزشکی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند تا راهکارهای تازه‌ای برای بیماران سکته مغزی و آسیب نخاعی بیابند. هدف این مرکز توانمندسازی توانیابان از طریق رابط‌های مغز- رایانه است.

روزی که جینا (JAYNA) به دنیا آمد خانواده و پزشک متوجه شدند که او علایمی شبیه به تشنج دارد. بعد از معاینه دقیق، پزشک تشنج را تایید کرد و یک آزمایش سی‌تی‌اسکن از مغز او گرفت. پزشک بیماری جینا را ناهنجاری توسعه قشر مغز (hemimegalencephaly ) تشخیص داد که یک بیماری نادر است و در آن نیمی از مغز به طور غیرطبیعی بزرگتر از نیمه دیگر است. تشنج یکی از نشانه‌های این بیماری است و هیچ دارویی برای آن وجود ندارد. تنها راه‌حل جراحی همیسفرکتومی (hemispherectomy) بود که بر روی او انجام شد. این عمل جراحی توسط دکتر جف اجمان (Jeff Ojemann) جراح مغز و اعصاب بیمارستان کودکان سیاتل (Seattle Children’s) و مرکز مهندسی اعصاب شاخه کنترل سیستم حسی-حرکتی (CSNE) اجرا شد و قطع ارتباط نیمکره راست مغز با موفقیت انجام گرفت اما نتیجه این جراحی باعث شد جینا نتواند دیگر راه برود یا صحبت کند.

جینا نابینایی نسبی داشت و نیمی از بدن او فلج بود ولی او توانست راه برود و صحبت کند. به عنوان یکی از مراجعه‌کنندگان آزمایشگاه Ability&Innovation که توسط کیت استیل (Kat Steele) استادیار مهندسی مکانیک و عضو مرکز CSNE هدایت می‌شد، جینا با دانشجویان مهندسی مکانیک همکاری می‌کرد تا یک ارتز (orthoses) برای او طراحی کنند.

کیت استیل می‌گوید: «هدف ما پیدا کردن یک راه حل مکانیکی ساده است که جینا بتواند به صورت روزمره از آن استفاده کند. این فرصت به پیشرفت مهندسی اعصاب در مرکز CSNE کمک خواهد کرد. در این مرکز پژوهشگران در حال تلاش برای توسعه رابط‌های مغز-رایانه هستند که کار با آن آسان باشد.»

در ابتدا این کار تخیلی به نظر می‌رسد که انسان‌ها با استفاده از کنترل مغز، اندام رباتیک و حتی اندام فلج خود را کنترل کنند. از نظر مدیر مرکز CSNE راجش رائو (Rajesh Rao) و معاون مرکز چت موریتس (Chet Moritz) این هدف آینده مهندسی اعصاب است و کمتر از ده سال از آن سپری شده است.

در مرکز CSNE که مرکز بین رشته‌ای مستقر در دانشکده مهندسی است، مهندسی و پزشکی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند تا راه‌حل‌های جدیدی برای بیماران سکته مغزی و آسیب نخاعی پیدا کنند. هدف این مرکز توانمندسازی توانیابان از طریق رابط‌های مغز- رایانه است.

راجش رائو مدیر مرکز می‌گوید: «CSNE به مکانی برای همکاری دانشمندان علوم اعصاب، جراحان مغز و اعصاب و مهندسان تبدیل شده است. در کنار هم ما راه را برای نسل بعدی پژوهشگران این حوزه هموار می‌کنیم که به درمان و بازیابی دوباره حس و حرکت بدن کمک می‌کنند.»

هنگامی‌که یک فرد سالم می‌خواهد یک فنجان قهوه بخورد در مورد آوردن فنجان نزدیک لب‌ها فکر نمی‌کند و فقط این کار را انجام می‌دهد. اما کسانی که دچار سکته مغزی یا آسیب نخاعی شده‌اند و فلج هستند ارتباط مغز و اعصاب ازبین رفته‌ است و عصب آسیب‌دیده نمی‌تواند پیام را از مغز به عضله ارسال کند. این شرایط دقیقا جایی است که فعالیت‌های مرکز CSNE شروع می‌شود.

مغز مرکز کنترل سیستم عصبی بدن است. سلول‌های عصبی شامل اطلاعات را فعال می‌کند تا پیام‌ها به تمام بدن ارسال شود. در مرکز CSNE پژوهشگران فعالیت‌های مغز را از طریق الکتروکاردیوگرافی (ECoG) ثبت می‌کنند. شبکه‌ای از الکترودها به طور مستقیم بر سطح مغز قرار می‌گیرد و فعالیت‌های مغز دنبال می‌شود.

شرکت‌کنندگان مطالعات مرکز CSNE بیماران مبتلا به صرع هستند که به پژوهشگران در انجام پروژه یافتن منشا بیماری صرع کمک می‌کنند. پژوهشگران به سرپرستی دکتر اجمان سیگنال‌های مغزی اندازه‌گیری شده را به طور مستقیم از مغز به یک رایانه مترجم ارسال کردند. شرکت‌کنندگان بدون حرکت انگشتان خود تلاش کردند با فکر کردن بتوانند مکان‌نما روی صفحه نمایش یا حتی بازوی رباتیک را حرکت دهند. محققان از شرکت‌کنندگان خواستند که انجام یک کار خاص را به طور کامل تجسم کنند برای مثال برداشتن فنجان قهوه. سپس با استفاده از سیگنال‌های مغزی آن‌ها قادر بودند بازوی رباتیک را حرکت دهند.

کنترل بازوی رباتیک با ذهن

۱) برای کسانی که فلج هستند بخش فکر کردن و قصد برای انجام یک کار سالم است و مشکلی ندارد ولی توانایی حرکت عضله از بین رفته است.
۲) سیگنال‌های مغزی به دست آمده از الکتروکاردیوگرافی به طور مستقیم به رایانه متصل به بازوی رباتیک ارسال می‌شود.
۳) رایانه سیگنال‌های مغزی را ترجمه می‌کند و بازوی رباتیک در پاسخ به سیگنال‌های مغزی فرد حرکت می‌کند.

همچنین محققان آزمایشگاه دکتر اجمان در حال کار بر بیماری صرع هستند تا از طریق تحریک مستقیم قشر مغز، بازخورد حسی تولید کنند. در این پژوهش، شرکت‌کنندگان یاد می‌گیرند که دست‌های خود را با توجه به درجه بازخورد که از طریق شبکه الکترودهای روی مغز دریافت می‌کنند باز و بسته کنند.

دکتر اجمان بیان می‌کند: «در آینده برای فردی مانند جینا که قادر به حرکت نیمه چپ بدن خود نیست این روش کمک‌کننده خواهد بود تا عملکرد عضله را بازیابی کنند. حتی برای عملکردهای مربوط به بخشی از مغز که فعال نیست به دیگر بخش فعال مغز یاد می‌دهند و از آن برای عملکردهای بدن استفاده و بازخورد حسی دریافت می‌کنند.»

بازخوردحسی نه تنها به بیماران در باز و بسته‌کردن دست‌ها در بازوی رباتیک کمک خواهد کرد بلکه مقدار فشار لازم برای انجام کامل کارهای دیگر را نیز فراهم می‌کند. چت موریتس می‌گوید: «هم‌اکنون ما توانایی استخراج فعالیت‌های مغزی و استفاده از این سیگنال‌ها برای کنترل بازوی رباتیک و دریافت بازخورد حسی را داریم. اگر بیمار بخواهد که بازوی رباتیک خود را به صورت مستقیم کنترل کند چه باید کرد؟ ما می‌توانیم با استفاده از دستگاه کاشتنی رابط مغز و رایانه (BCI) بخش آسیب‌دیده نخاع را تحریک کنیم.»

هدف این است که سیگنال‌های مغز ثبت و دیکد شوند و یک الگوریتم به دست آوریم و این اطلاعات برای برنامه نویسی رابط مغز و رایانه کاشتنی استفاده شود. مجموعه‌ای از تراشه‌ها و سیم‌ها که به عنوان سیستم عصبی عمل می‌کند و پلی میان مغز و سیستم عصبی ایجاد می‌کند. دستگاه رابط به سیگنال‌های مغزی گوش می‌دهد و قصد فرد را تشخیص می‌دهد و به فرد در انجام کار موردنظر کمک می‌کند. پژوهشگران در تلاش هستند که الگوریتم‌ها را هوشمندتر کنند تا دستگاه رابط یاد بگیرد دقیقا مثل مغز و سیستم عصبی ما که با تمرین یاد می‌گیرند این دستگاه رابط نیز به همین روش عمل کند.

چشم‌انداز آینده: رابط مغز و رایانه کاشتنی جایگزین اتصالات آسیب دیده

۱) برای کسانی که فلج هستند بخش فکر کردن و قصد برای انجام یک کار، سالم است و مشکلی ندارد ولی توانایی حرکت عضله از بین رفته است.
۲) رابط مغز و رایانه کاشتنی جایگزین عصب‌های آسیب‌دیده خواهد بود و سیگنال‌های مغزی را به سیستم عصبی انتقال می‌دهد.
۳) الکترودهای قرار گرفته در نخاع با پیام‌های الکتریکی که مغز تولید می‌کند تحریک می‌شود و باعث حرکت عضله موردنظر خواهد شد.
۴) با تکرار و یادگیری، مغز و مدارهای موجود در نخاع ممکن است اتصالات جدید شکل دهند و همدیگر را درمان ‌کنند.
۵) سرانجام رابط مغز و رایانه BCI می‌تواند عملکرد اندام فلج را بازیابی کند.

هدف مرکز CSNE تنها به رابط مغز و رایانه خلاصه نمی‌شود بلکه آن‌ها می‌خواهند به مغز و سیستم عصبی کمک کنند تا یکدیگر را بهبود دهند و حرکت و حس اندام آسیب‌دیده بازیابی شوند و به زندگی بازگردند.

پژوهشگران CSNE در حال کار بر رابط مغز و رایانه دوجهته هستند تا ارتباط دو طرفه بین دو دسته سلول‌های عصبی ایجاد کنند. این دستگاه‌ها ارتباطات مغز جدید یا قوی‌تر تولید می‌کنند و سیستم عصبی را تشویق می‌کند که بخش آسیب دیده را فعال کند. و در واقع هدف اصلی استفاده از رابط کاشتنی برای به حرکت در آوردن اندام مصنوعی نیست بلکه هدف درمان بخش آسیب‌دیده است.

برای جینا و دیگر افراد دچار آسیب مغزی، این روش به بازیابی و بهبود عملکرد حرکتی کمک می‌کند و برای افراد دچار آسیب نخاعی، حتی می‌تواند باعث شود که اندام خود را دوباره حرکت دهند.

منبع: Washington