فناوری واسط های مغز و رایانه
واسط های مغز و رایانه (BCI) یک پیوند ارتباطی مستقیم بین مغز و یک کامپیوتر یا سایر دستگاه های خارجی فراهم می کند. آنها با جایگزین کردن و تقویت ظرفیت های کاری انسان، میزان آزادی بالایی را فراهم کرده و در زمینه های مختلفی همچون محاسبات عاطفی، توانبخشی، بازی، روباتیک و علوم اعصاب، کاربردهای فوق العاده ای را ایجاد می کنند.
تلاش‌های تحقیقاتی قابل توجه در مقیاس جهانی، پلتفرم های مشترکی را برای استانداردسازی فناوری Brain-computer interfaces ارائه کرده و به مقابله با پویایی بسیار پیچیده و غیرخطی مغز و چالش‌های استخراج و طبقه‌بندی ویژگی‌های مرتبط کمک می‌کند.
نوسانات روانی- نوروفیزیولوژیکی متغیر زمان و تأثیر آنها بر سیگنال های مغز، چالش دیگری را برای محققان BCI جهت تبدیل این فناوری از برنامه های آزمایشگاهی به زندگی روزمره plug-and-play تحمیل می کند.
فناوری BCI چیست؟
BCI یا واسط های مغز و رایانه، سیستمی است که مبتنی بر رایانه بوده و قادر است تا به تجزیه و تحلیل سیگنال های مغزی که به دست می آورد، بپردازد و آن را به فرامینی تبدیل کند که جهت به انجام رساندن یک عمل انتخاب شده، به یک دستگاه ارائه می شود.
در واقع باید گفت که BCI ها از روند طبیعی اعصاب و عضلات اطراف مغز بهره نمی برند. بنابراین می توان BCI را به سیستم هایی محدود کرد که سیگنال های تولید شده توسط سیستم عصبی مرکزی (CNS) را اندازه گیری کرده و استفاده می کنند.
برای مثال، یک سیستم ارتباطی فعال شده با عضله، یک BCI نیست. علاوه بر این، یک دستگاه الکتروانسفالوگرام (EEG) به تنهایی یک BCI نیست، زیرا فقط سیگنال‌های مغز را ثبت می‌کند اما خروجی‌ای تولید نمی‌کند که بر روی محیط کاربر تاثیرگذار باشد.
این یک تصور اشتباه است که BCI ها دستگاه های ذهن خوان هستند. واسط های مغز و رایانه به معنای استخراج اطلاعات از کاربران به صورت ناخواسته نیست که ذهن را بخوانند، بلکه کاربران را قادر می سازند تا با استفاده از سیگنال های مغزی به جای ماهیچه ها، روی محیط عمل کنند.
در حقیقت کاربر و Brain-computer interfaces با هم کار می کنند. کاربر، اغلب پس از یک دوره آموزشی، سیگنال های مغزی را تولید می کند که هدف را رمزگذاری کرده و BCI، پس از آموزش، سیگنال ها را رمزگشایی می کند و آنها را به دستوراتی به یک دستگاه خروجی ارائه می‌کند که هدف کاربر را برآورده می کند.
سیگنال های فیزیولوژیکی مورد استفاده توسط BCI ها
در اصل، هر نوع سیگنال مغزی می تواند برای کنترل یک سیستم BCI یا واسط های مغز و رایانه استفاده شود. رایج ترین سیگنال‌های مورد مطالعه، سیگنال‌های الکتریکی هستند که عمدتاً توسط تغییرات قطبی غشای پس سیناپسی عصبی تولید می‌شوند که به دلیل فعال سازی کانال های دردار ولتاژ یا یونی رخ می‌دهند.
EEG پوست سر که برای اولین بار توسط هانس برگر در سال 1929 توصیف شد، عمدتاً معیاری از این سیگنال ها است. بیشتر کارهای اولیه BCI از سیگنال‌های EEG ثبت شده در پوست سر استفاده می‌کردند که از مزایای آنها آسان، ایمن و ارزان‌بودن به دست آوردن آنها است.
عیب اصلی ضبط های پوست سر این است که سیگنال های الکتریکی به طور قابل توجهی در فرآیند عبور از سختی، جمجمه و پوست سر ضعیف می شوند. بنابراین، اطلاعات مهم ممکن است از دست بروند. مشکل صرفاً تئوری نیست.
صرع شناسان مدت هاست می دانند که برخی از تشنج ها که به وضوح در طول ضبط داخل جمجمه قابل شناسایی هستند در نوار مغزی پوست سر دیده نمی شوند. با توجه به این محدودیت احتمالی، کار اخیر واسط های مغز و رایانه روش‌های ضبط داخل جمجمه را نیز بررسی کرده است.
رایانه های کلاسیک واقعاً نسخه های بسیار پیچیده تری از ماشین‌حساب های جیبی هستند. آنها مبتنی بر مدارهای الکتریکی و سوئیچ‌هایی هستند که می‌توانند روشن (یک) یا خاموش (صفر) باشند. با رشته‌بندی تعداد زیادی از این یک‌ها و صفرها، آنها می‌توانند هر اطلاعاتی را ذخیره و پردازش کنند.
با این حال، سرعت آنها به دلیل این واقعیت است که مقادیر زیادی از اطلاعات به تعداد زیادی یک و صفر برای نشان دادن آن نیاز دارند، همیشه محدود است. کیوبیت‌های محاسبات کوانتومی به جای یک‌ها و صفرهای ساده، می‌توانند در بسیاری از حالت‌های مختلف وجود داشته باشند.
دریافت سیگنال Brain-computer interfaces
دریافت سیگنال و اندازه گیری سیگنال های مغزی با استفاده از یک روش حسگر خاص است (به عنوان مثال، الکترودهای پوست سر یا داخل جمجمه برای فعالیت الکتروفیزیولوژیک، fMRI برای فعالیت متابولیک). سیگنال ها تا سطوح مناسب برای پردازش الکترونیکی تقویت می شوند و همچنین ممکن است برای حذف نویز الکتریکی یا سایر ویژگی های سیگنال نامطلوب مانند تداخل خط برق 60 هرتز در معرض فیلتر قرار گیرند. سپس سیگنال ها دیجیتالی می شوند و به کامپیوتر منتقل خواهند شد.
آینده واسط های مغز و رایانه
تحقیق و توسعه واسط های مغز و رایانه هیجان فوق العاده ای را در دانشمندان، مهندسان، پزشکان و عموم مردم ایجاد می کند. این هیجان منعکس کننده آینده غنی Brain-computer interfaces است. آنها ممکن است در نهایت به طور معمول برای جایگزینی یا بازیابی عملکرد مفید برای افرادی که به دلیل اختلالات عصبی-عضلانی شدید ناتوان شده اند استفاده شوند.
آنها همچنین ممکن است توانبخشی را برای افراد مبتلا به سکته مغزی، ضربه به سر و سایر اختلالات بهبود بخشند. در عین حال، این آینده هیجان انگیز تنها در صورتی می تواند رقم بخورد که محققان و توسعه‌دهندگان واسط های مغز و رایانه مشکلات را در 3 حوزه حیاتی حل کنند که شامل سخت افزار اکتساب سیگنال، اعتبارسنجی و انتشار BCI و قابلیت اطمینان می شود.
سخت افزار اکتساب سیگنال
همه سیستم های BCI به حسگرها و سخت افزار مرتبطی که سیگنال های مغز را دریافت می کنند، بستگی دارند. بهبود در این سخت افزار برای آینده BCI ها حیاتی است. در حالت ایده آل، BCI های مبتنی بر EEG (غیر تهاجمی) باید دارای الکترودهایی باشند که به سایش پوست یا ژل رسانا (یعنی به اصطلاح الکترودهای خشک) نیاز نداشته باشند.
آنها باید کوچک و قابل حمل باشند. دارای نصب راحت و قابل قبول از نظر زیبایی بوده و تنظیم آنها آسان باشد. برای چندین ساعت بدون تعمیر کار کنند. واسط های مغز و رایانه باید دارای عملکرد خوب در همه محیط ها بوده و به راحتی با طیف گسترده ای از برنامه ها ارتباط برقرار کنند.
در اصل، بسیاری از این نیازها را می توان با فناوری فعلی برآورده کرد و گزینه های الکترود خشک در حال در دسترس شدن هستند.
اعتبار سنجی و انتشار واسط های مغز و رایانه
همانطور که کار پیشرفت می کند و BCI ها شروع به استفاده واقعی بالینی می کنند، 2 سوال مهم مطرح می شود: یک Brain-computer interfaces معین چقدر می تواند خوب باشد و چقدر توانمند و قابل اعتماد است؟ و کدام BCI برای چه اهدافی بهترین است.
برای پاسخ به سوال اول، هر BCI امیدوارکننده باید بهینه شود و محدودیت‌های مربوط به قابلیت‌های کاربران با آن مشخص شود. پرداختن به سوال دوم مستلزم اجماع بین گروه‌های تحقیقاتی در مورد اینکه کدام برنامه‌ها باید برای مقایسه واسط های مغز و رایانه استفاده شوند و عملکرد چگونه باید ارزیابی شوند، است.
واضح ترین مثال این سوال است که آیا عملکرد BCI هایی که از سیگنال های داخل قشری استفاده می کنند بسیار برتر از BCI هایی است که از سیگنال های ECoG یا حتی سیگنال های EEG استفاده می کنند. برای بسیاری از کاربران آینده نگر، BCI های تهاجمی باید عملکرد بسیار بهتری ارائه دهند تا به BCI غیرتهاجمی ترجیح داده شوند.
قابلیت اطمینان Brain-computer interfaces
اگرچه آینده فناوری BCI مطمئناً به بهبود در اکتساب سیگنال و مطالعات اعتبار سنجی واضح و مدل‌های انتشار قابل اجرا بستگی دارد، اما این مسائل در کنار موارد مرتبط با مشکل قابلیت اطمینان کمرنگ است. در حالت کلی، صرف نظر از روش ضبط، نوع سیگنال یا الگوریتم پردازش سیگنال، قابلیت اطمینان واسط های مغز و رایانه برای همه به جز ساده ترین برنامه ها ضعیف است.
رابط های مغز و رایانه مناسب برای استفاده واقعی باید به اندازه اقدامات مبتنی بر ماهیچه های طبیعی قابل اعتماد باشند. بدون پیشرفت های عمده، سودمندی واقعی BCIها در بهترین حالت، تنها به ابتدایی ترین عملکردهای ارتباطی برای کسانی که دارای شدیدترین ناتوانی‌ها هستند، محدود می‌ماند.
جمع بندی
بسیاری از محققان در سراسر جهان در حال توسعه سیستم های Brain-computer interfaces هستند که چند سال پیش در قلمرو داستان های علمی تخیلی قرار داشتند. این سیستم ها از سیگنال های مغزی مختلف، روش های ضبط و الگوریتم های پردازش سیگنال استفاده می کنند.
آنها می توانند بسیاری از دستگاه های مختلف، از مکان نما روی صفحه نمایش کامپیوتر گرفته تا صندلی چرخدار و بازوهای رباتیک را کار کنند. تعداد کمی از افراد دارای ناتوانی شدید در حال حاضر از واسط های مغز و رایانه برای ارتباطات اولیه و کنترل در زندگی روزمره خود استفاده می کنند.
با سخت افزار اکتساب سیگنال بهتر، اعتبارسنجی بالینی واضح، مدل‌های انتشار قابل اجرا و افزایش قابلیت اطمینان، BCI ممکن است به یک فناوری ارتباطی و کنترلی جدید برای افراد دارای معلولیت و احتمالاً برای جمعیت عمومی تبدیل شود.
