محققان در حال ساخت نوع جدیدی از رابط‌های رایانه و مغز هستند تا به رویاهای معلولان رنگ تازه‌ای ببخشند
معجزه تبدیل اراده به حركت
دیدن معلولی كه روی ویلچر نشسته و با ذهن خود نوعی اندام رباتی یا رایانه‌ای را كنترل می‌كند، بی‌نظیر است. سال 1392/ ۲۰۱۳ محققان برای اولین بار توانستند نوعی رابط رایانه و مغز (PPC) بسازند تا افراد معلول بتوانند با كمك ذهن خود، اندام‌های رباتی را به حركت درآورند. در جدیدترین آزمایش این رابط‌ها، اریك سورتو، پسر ۲۱ ساله فلجی كه قربانی تیراندازی شده بود، توانست با استفاده از ذهن خود و رابط رایانه و مغز، دست رباتی خود را به حركت درآورد و لیوان نوشیدنی بردارد. در این حالت، رابط رایانه و مغز از ناحیه سطح بالای قشر مغز، پیامی عصبی ارسال می‌كند. سپس نوعی دستگاه الكترومكانیكی، لیوان نوشیدنی را گرفته و آن را به سمت لب‌های فرد معلول بالا می‌برد تا او نوشیدنی را بنوشد. این توانایی، یك سال پس از كاشت الكترودها در مغز اریك سورتو به وجود آمد. این الكترودها ارسال علائم را كنترل می‌كنند و فرد با كمك ذهن خود می‌تواند دست رباتی خود را به حركت درآورد. نسل جدید رابط‌های رایانه و مغز می‌تواند امیدی برای معلولان، به ویژه افرادی باشد كه تمام اندام‌هایشان فلج است.
ما هر روز بدون این‌كه مجبور باشیم فكر كنیم، اندام‌های خود را به حركت درمی‌آوریم. اما چگونه می‌توان فقط با قدرت فكر، اندام‌های مكانیكی و مصنوعی را به حركت درآورد؟
عصب‌شناسان چند دهه در تلاش بوده‌اند تا با رمزگشایی از برخی علائم عصبی، اندام‌های مصنوعی را به حركت درآورند. اكنون نسل جدیدی از رابط‌های رایانه و مغز تولید شده است كه می‌تواند بین مغز و اندام مصنوعی ارتباطی یكپارچه برقرار كند و محققان در تلاشند كارآیی این رابط‌ها را تا حدی بالا ببرند كه حركات اندام‌های مصنوعی با دقت بالایی انجام شود.
از مغز تا ربات
در حال حاضر، دو نوع فناوری اصلی رابط مغز و رایانه داریم. اولی «رابط نوشتنی» رایانه و مغز است كه با استفاده از تحریك‌های الكتریكی، علائم را به بافت‌های عصبی ارسال می‌كند. از این فناوری در آزمایش‌های بالینی به خوبی استفاده می‌شود. مثلا پروتزهایی ساخته شده كه عصب شنوایی را تحریك كرده و باعث می‌شود ناشنوایان صداها را بشنوند.
نوع دیگر «رابط خواندنی» است. این رابط برعكس رابط پیشین، فعالیت‌های عصبی را ثبت می‌كند و هنوز در مراحل ساخت قرار دارد. البته نمونه‌های نه‌چندان پیشرفته این فناوری ساخته شده است، مانند دستگاه‌های الكتروانسفالوگرافی یا همان نوار مغزی، با ثبت فعالیت ناحیه‌ای به وسعت چند سانتی‌متر از بافت مغزی، فعالیت چند میلیون عصب را بررسی می‌كند. این ابزارها محدودیت‌هایی در تصویربرداری دارند و وضوح مناسبی ندارند، بنابراین نمی‌توانند تغییرات سریع فعالیت مغزی را تشخیص دهند.برای غلبه بر این محدودیت‌ها، بهترین حالت، ثبت فعالیت هر یك از عصب‌هاست. مشاهده تغییرات تمام فعالیت‌های هر یك از عصب‌ها می‌تواند از آنچه در ناحیه‌ای مشخص از مغز اتفاق می‌افتد، تصویر دقیقی ارائه دهد.در سال‌های اخیر، به‌كارگیری ردیفی از الكترودهای كوچك كاشته شده در مغز توانسته است این نوع ثبت از فعالیت‌های عصبی مغز را انجام دهد. در هر ردیف
۴ در ۴ میلی‌متری، حدود ۱۰۰ الكترود قرار گرفته كه می‌توانند فعالیت ۱۰۰ تا ۲۰۰ عصب را ثبت كنند.
علائم ثبت شده به سمت رمزگشاها حركت می‌كنند. این رمزگشاها با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی، علائم دریافتی را به نوعی تحریك عصبی ترجمه كرده و موجب حركت خاصی، مانند كنترل یك اندام رباتی یا یك رایانه می‌شوند. این رابط‌های خواندنی به افرادی كه دچار جراحت‌های نخاعی، سكته مغزی، ام‌اس، اسكلروز جانبی آمیوتروفیك و دیستروفی ماهیچه‌ای شده‌اند كمك بسیاری می‌كند.
تلاش برای درمان افراد فلج
اكنون محققان روی افراد مبتلا به فلج چهار اندام متمركز شده‌اند. همان‌هایی كه به‌دلیل صدمات نخاعی روی دست‌ها و پاهایشان كنترل ندارند. یك رابط رایانه و مغز می‌تواند با بخش‌های مختلف از نواحی قشر مغز در تعامل باشد. از این نواحی باید به نواحی قشر اولیه مغز اشاره كرد كه تمام علائم حسی را شناسایی می‌كند. همچنین بخش‌های مختلف قشر مغز مسؤول زبان، تشخیص اشیا، احساسات و تصمیم‌گیری هستند.
بسیاری از محققان شروع به ثبت تعداد بسیاری از عصب‌های افراد فلج كردند تا به این وسیله كنترل اندام‌های مصنوعی را در آزمایشگاه‌ها به دست بگیرند. بزرگ‌ترین مانع بر سر این فناوری این است كه بیماران نمی‌توانند با اندام‌های مصنوعی عصبی، به‌راحتی دستگاه پیس‌میكر قلب، سازگار شوند.
برای این منظور محققان به جای هدف قرار دادن قشر حركتی مغز، علائم مناطق تداعی را در نظر گرفتند. این مناطق بخش بزرگی از قشر مخ هستند كه به طور مستقیم درگیر فرآیندهای حسی و حركتی نیست. این بخش نقش مهمی در فرآیندهای فكری ضروری برای حل مساله دارد. محققان امیدوارند بتوانند با استفاده از این بخش، علائم حسی متنوعی كه قصد و خواسته بیمار فلج را نشان می‌دهد، به خوبی درك كنند.
آنها مناطق تداعی خاصی مانند قشر آهیانه‌ای خلفی را در مغز بررسی كردند. در این نواحی برنامه‌ریزی آغاز حركات بدن انجام می‌شود. در بررسی‌های حیوانات آزمایشگاهی مشخص شد كه نواحی مختلف زیر قشر آهیانه‌ای خلفی، حركات چشم‌ها و پردازش حركت اندام‌ها را كنترل می‌كند و بخشی از این ناحیه، قشر آهیانه‌ای است كه حركت دست‌ها را تحت كنترل خود دارد.محققان دریافتند كه قشر واقع در لوب آهیانه‌ای قدامی مغز، مسؤول حركات گرفتن اشیا با دست است.قشر آهیانه‌ای خلفی مغز نسبت به قشر حركتی مغز، چند مزیت برای كنترل اندام‌های رباتیك یا مكان‌نمای رایانه‌ای به‌وسیله مغز دارد. اول این‌كه، این قسمت هر دو دست را كنترل می‌كند. اما قشر حركتی مغز در هر نیمكره، اندام‌های طرف دیگر بدن را كنترل می‌كند. همچنین قشر آهیانه‌ای مغز، هدف از حركت را تعیین می‌كند. در حالی‌كه قشر حركتی، علامتی برای مسیری می‌فرستد كه حركت باید در آن صورت پذیرد. وقتی رابط رایانه و مغز، هدف از حركت را درك كند، به سرعت و در كمتر از چند صد میلی‌ثانیه آن را رمزگشایی می‌كند. اما قشر حركتی مغز برای انجام این كار به بیش از یك ثانیه نیاز دارد.
از آزمایشگاه تا بیمار
رابط رایانه و مغز قبل از سال 1392/ ۲۰۱۳ فقط در میمون‌ها آزمایش شده بود. سرانجام محققان در این سال، برای اولین بار این رابط را روی انسانی به نام اریك سورتو آزمایش كردند. روز اول آزمایش، آنها فعالیت عصبی را شناسایی كردند و تا پایان هفته، علائم عصبی و فعالیت آنها به اندازه كافی برای به حركت درآوردن یك اندام رباتی انجام شد. فعالیت برخی از عصب‌ها متفاوت بود. وقتی سورتو چرخش دستش را تصور می‌كرد، فعالیت‌های متفاوت عصبی مشاهده می‌شد. اولین كاری كه سورتو انجام داد، حركت‌دادن دست رباتی در جهت‌های مختلف بود تا با یكی از محققان دست بدهد. سورتو با اندیشیدن به حركات مختلف، می‌توانست شاهد ثبت عصب در قشر مغز خود شود و آنها را با اراده خود فعال كرده یا از حركت بازدارد. او دوست داشت بتواند با استفاده از دست رباتی خود یك لیوان نوشیدنی بردارد. یك سال طول كشید تا سرانجام توانست این كار را انجام دهد!
الگوریتم مربوط به تصور انجام كاری، ورودی‌های ارسالی از دوربین‌های ویدئویی را تجزیه و تحلیل می‌كند و یك ربات هوشمند، علائم مربوط به خواسته‌ای را با الگوریتم‌های رایانه‌ای تركیب كرده و حركت بازوی رباتی را آغاز می‌كند.
چگونگی درك خواسته‌ها به‌وسیله مغز
محققان در بررسی‌هایشان روی بیماران دریافتند، عصب‌های مغز با علائم پردازش مربوط به چیزی كه فرد می‌خواهد، هماهنگ می‌شوند. آنها توانستند یك‌سری از فعالیت‌های شناختی، از جمله راهبردهای ذهنی (تصویرسازی در برابر حركت)، حركت انگشتان، تصمیم‌گیری در برابر به یادآوردن محرك‌های بصری، حالات دست برای گرفتن چیزی، افعال حركت مانند «گرفتن» و «هل دادن» و محاسبات ریاضی در مغز را رمزگشایی كنند.
در بررسی‌های بیشتر مشخص شد، برای این‌كه فرد بتواند جسمی را بردارد، مغز باید جهت نگاه او را هم در نظر بگیرد. اما افرادی كه قشر آهیانه خلفی آنها صدمه دیده است، این كار را نمی‌توانند درست انجام دهند.
محققان با بررسی بخش‌های مختلف مغز و عصب‌هایشان تلاش كردند، الكترودهای بهتری برای ارسال و دریافت بهتر علائم عصبی بسازند. این الكترودها باید در حد مینیاتوری ساخته می‌شدند تا برای فعالیت، انرژی زیادی نیاز نداشته باشند و درون مغز فرد بیش از حد گرم نشوند. در ضمن این الكترودها باید بی‌سیم می‌بودند تا بدون استفاده از كابل‌های سیمی، به مغز فرد متصل شوند.
محققان پس از ساخت الكترودهای مورد نظر، آنها را با جراحی در مغز فرد قرار دادند و با استفاده از آن، دست رباتی را به حركت درآوردند. اكنون آنها امیدوارند روزی بتوانند رابط‌های رایانه و مغزی تولید كنند كه با نصب آنها فقط روی جمجمه فرد، حركات اندام‌های رباتی را ممكن سازند.
در حال حاضر دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از فناوری رابط رایانه و مغز، یك اندام رباتی را به حركت درآورند و این توانایی را كه تاكنون در كتاب‌های علمی-تخیلی دیده می‌شد، به واقعیت تبدیل كنند. این اقدام راه را برای توسعه بخشیدن این فناوری در آینده و توانا ساختن معلولان در به‌كارگیری اندام‌های رباتی، باز كرده است.
منبع: Scientific American
عصب‌شناسان چند دهه در تلاش بوده‌اند تا با رمزگشایی از برخی علائم عصبی، اندام‌های مصنوعی را به حركت درآورند. اكنون نسل جدیدی از رابط‌های رایانه و مغز تولید شده است كه می‌تواند بین مغز و اندام مصنوعی ارتباطی یكپارچه برقرار كند و محققان در تلاشند كارآیی این رابط‌ها را تا حدی بالا ببرند كه حركات اندام‌های مصنوعی با دقت بالایی انجام شود.
از مغز تا ربات
در حال حاضر، دو نوع فناوری اصلی رابط مغز و رایانه داریم. اولی «رابط نوشتنی» رایانه و مغز است كه با استفاده از تحریك‌های الكتریكی، علائم را به بافت‌های عصبی ارسال می‌كند. از این فناوری در آزمایش‌های بالینی به خوبی استفاده می‌شود. مثلا پروتزهایی ساخته شده كه عصب شنوایی را تحریك كرده و باعث می‌شود ناشنوایان صداها را بشنوند.
نوع دیگر «رابط خواندنی» است. این رابط برعكس رابط پیشین، فعالیت‌های عصبی را ثبت می‌كند و هنوز در مراحل ساخت قرار دارد. البته نمونه‌های نه‌چندان پیشرفته این فناوری ساخته شده است، مانند دستگاه‌های الكتروانسفالوگرافی یا همان نوار مغزی، با ثبت فعالیت ناحیه‌ای به وسعت چند سانتی‌متر از بافت مغزی، فعالیت چند میلیون عصب را بررسی می‌كند. این ابزارها محدودیت‌هایی در تصویربرداری دارند و وضوح مناسبی ندارند، بنابراین نمی‌توانند تغییرات سریع فعالیت مغزی را تشخیص دهند.برای غلبه بر این محدودیت‌ها، بهترین حالت، ثبت فعالیت هر یك از عصب‌هاست. مشاهده تغییرات تمام فعالیت‌های هر یك از عصب‌ها می‌تواند از آنچه در ناحیه‌ای مشخص از مغز اتفاق می‌افتد، تصویر دقیقی ارائه دهد.در سال‌های اخیر، به‌كارگیری ردیفی از الكترودهای كوچك كاشته شده در مغز توانسته است این نوع ثبت از فعالیت‌های عصبی مغز را انجام دهد. در هر ردیف
۴ در ۴ میلی‌متری، حدود ۱۰۰ الكترود قرار گرفته كه می‌توانند فعالیت ۱۰۰ تا ۲۰۰ عصب را ثبت كنند.
علائم ثبت شده به سمت رمزگشاها حركت می‌كنند. این رمزگشاها با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی، علائم دریافتی را به نوعی تحریك عصبی ترجمه كرده و موجب حركت خاصی، مانند كنترل یك اندام رباتی یا یك رایانه می‌شوند. این رابط‌های خواندنی به افرادی كه دچار جراحت‌های نخاعی، سكته مغزی، ام‌اس، اسكلروز جانبی آمیوتروفیك و دیستروفی ماهیچه‌ای شده‌اند كمك بسیاری می‌كند.
تلاش برای درمان افراد فلج
اكنون محققان روی افراد مبتلا به فلج چهار اندام متمركز شده‌اند. همان‌هایی كه به‌دلیل صدمات نخاعی روی دست‌ها و پاهایشان كنترل ندارند. یك رابط رایانه و مغز می‌تواند با بخش‌های مختلف از نواحی قشر مغز در تعامل باشد. از این نواحی باید به نواحی قشر اولیه مغز اشاره كرد كه تمام علائم حسی را شناسایی می‌كند. همچنین بخش‌های مختلف قشر مغز مسؤول زبان، تشخیص اشیا، احساسات و تصمیم‌گیری هستند.
بسیاری از محققان شروع به ثبت تعداد بسیاری از عصب‌های افراد فلج كردند تا به این وسیله كنترل اندام‌های مصنوعی را در آزمایشگاه‌ها به دست بگیرند. بزرگ‌ترین مانع بر سر این فناوری این است كه بیماران نمی‌توانند با اندام‌های مصنوعی عصبی، به‌راحتی دستگاه پیس‌میكر قلب، سازگار شوند.
برای این منظور محققان به جای هدف قرار دادن قشر حركتی مغز، علائم مناطق تداعی را در نظر گرفتند. این مناطق بخش بزرگی از قشر مخ هستند كه به طور مستقیم درگیر فرآیندهای حسی و حركتی نیست. این بخش نقش مهمی در فرآیندهای فكری ضروری برای حل مساله دارد. محققان امیدوارند بتوانند با استفاده از این بخش، علائم حسی متنوعی كه قصد و خواسته بیمار فلج را نشان می‌دهد، به خوبی درك كنند.
آنها مناطق تداعی خاصی مانند قشر آهیانه‌ای خلفی را در مغز بررسی كردند. در این نواحی برنامه‌ریزی آغاز حركات بدن انجام می‌شود. در بررسی‌های حیوانات آزمایشگاهی مشخص شد كه نواحی مختلف زیر قشر آهیانه‌ای خلفی، حركات چشم‌ها و پردازش حركت اندام‌ها را كنترل می‌كند و بخشی از این ناحیه، قشر آهیانه‌ای است كه حركت دست‌ها را تحت كنترل خود دارد.محققان دریافتند كه قشر واقع در لوب آهیانه‌ای قدامی مغز، مسؤول حركات گرفتن اشیا با دست است.قشر آهیانه‌ای خلفی مغز نسبت به قشر حركتی مغز، چند مزیت برای كنترل اندام‌های رباتیك یا مكان‌نمای رایانه‌ای به‌وسیله مغز دارد. اول این‌كه، این قسمت هر دو دست را كنترل می‌كند. اما قشر حركتی مغز در هر نیمكره، اندام‌های طرف دیگر بدن را كنترل می‌كند. همچنین قشر آهیانه‌ای مغز، هدف از حركت را تعیین می‌كند. در حالی‌كه قشر حركتی، علامتی برای مسیری می‌فرستد كه حركت باید در آن صورت پذیرد. وقتی رابط رایانه و مغز، هدف از حركت را درك كند، به سرعت و در كمتر از چند صد میلی‌ثانیه آن را رمزگشایی می‌كند. اما قشر حركتی مغز برای انجام این كار به بیش از یك ثانیه نیاز دارد.
از آزمایشگاه تا بیمار
رابط رایانه و مغز قبل از سال 1392/ ۲۰۱۳ فقط در میمون‌ها آزمایش شده بود. سرانجام محققان در این سال، برای اولین بار این رابط را روی انسانی به نام اریك سورتو آزمایش كردند. روز اول آزمایش، آنها فعالیت عصبی را شناسایی كردند و تا پایان هفته، علائم عصبی و فعالیت آنها به اندازه كافی برای به حركت درآوردن یك اندام رباتی انجام شد. فعالیت برخی از عصب‌ها متفاوت بود. وقتی سورتو چرخش دستش را تصور می‌كرد، فعالیت‌های متفاوت عصبی مشاهده می‌شد. اولین كاری كه سورتو انجام داد، حركت‌دادن دست رباتی در جهت‌های مختلف بود تا با یكی از محققان دست بدهد. سورتو با اندیشیدن به حركات مختلف، می‌توانست شاهد ثبت عصب در قشر مغز خود شود و آنها را با اراده خود فعال كرده یا از حركت بازدارد. او دوست داشت بتواند با استفاده از دست رباتی خود یك لیوان نوشیدنی بردارد. یك سال طول كشید تا سرانجام توانست این كار را انجام دهد!
الگوریتم مربوط به تصور انجام كاری، ورودی‌های ارسالی از دوربین‌های ویدئویی را تجزیه و تحلیل می‌كند و یك ربات هوشمند، علائم مربوط به خواسته‌ای را با الگوریتم‌های رایانه‌ای تركیب كرده و حركت بازوی رباتی را آغاز می‌كند.
چگونگی درك خواسته‌ها به‌وسیله مغز
محققان در بررسی‌هایشان روی بیماران دریافتند، عصب‌های مغز با علائم پردازش مربوط به چیزی كه فرد می‌خواهد، هماهنگ می‌شوند. آنها توانستند یك‌سری از فعالیت‌های شناختی، از جمله راهبردهای ذهنی (تصویرسازی در برابر حركت)، حركت انگشتان، تصمیم‌گیری در برابر به یادآوردن محرك‌های بصری، حالات دست برای گرفتن چیزی، افعال حركت مانند «گرفتن» و «هل دادن» و محاسبات ریاضی در مغز را رمزگشایی كنند.
در بررسی‌های بیشتر مشخص شد، برای این‌كه فرد بتواند جسمی را بردارد، مغز باید جهت نگاه او را هم در نظر بگیرد. اما افرادی كه قشر آهیانه خلفی آنها صدمه دیده است، این كار را نمی‌توانند درست انجام دهند.
محققان با بررسی بخش‌های مختلف مغز و عصب‌هایشان تلاش كردند، الكترودهای بهتری برای ارسال و دریافت بهتر علائم عصبی بسازند. این الكترودها باید در حد مینیاتوری ساخته می‌شدند تا برای فعالیت، انرژی زیادی نیاز نداشته باشند و درون مغز فرد بیش از حد گرم نشوند. در ضمن این الكترودها باید بی‌سیم می‌بودند تا بدون استفاده از كابل‌های سیمی، به مغز فرد متصل شوند.
محققان پس از ساخت الكترودهای مورد نظر، آنها را با جراحی در مغز فرد قرار دادند و با استفاده از آن، دست رباتی را به حركت درآوردند. اكنون آنها امیدوارند روزی بتوانند رابط‌های رایانه و مغزی تولید كنند كه با نصب آنها فقط روی جمجمه فرد، حركات اندام‌های رباتی را ممكن سازند.
در حال حاضر دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از فناوری رابط رایانه و مغز، یك اندام رباتی را به حركت درآورند و این توانایی را كه تاكنون در كتاب‌های علمی-تخیلی دیده می‌شد، به واقعیت تبدیل كنند. این اقدام راه را برای توسعه بخشیدن این فناوری در آینده و توانا ساختن معلولان در به‌كارگیری اندام‌های رباتی، باز كرده است.
منبع: Scientific American