معجزه تبدیل اراده به حرکت

به‌گزارش جام‌جم، در جدیدترین آزمایش این رابط‌ها، اریک سورتو، پسر ۲۱ ساله فلجی که قربانی تیراندازی شده بود، توانست با استفاده از ذهن خود و رابط رایانه و مغز، دست رباتی خود را به حرکت درآورد و لیوان نوشیدنی بردارد. در این حالت، رابط رایانه و مغز از ناحیه سطح بالای قشر مغز، پیامی عصبی ارسال می‌کند. سپس نوعی دستگاه الکترومکانیکی، لیوان نوشیدنی را گرفته و آن را به سمت لب‌های فرد معلول بالا می‌برد تا او نوشیدنی را بنوشد. این توانایی، یک سال پس از کاشت الکترودها در مغز اریک سورتو به‌وجود آمد. این الکترودها ارسال علائم را کنترل می‌کنند و فرد با کمک ذهن خود می‌تواند دست رباتی خود را به حرکت درآورد. نسل جدید رابط‌های رایانه و مغز می‌تواند امیدی برای معلولان، به‌ویژه افرادی باشد که تمام اندام‌هایشان فلج است.

ما هر روز بدون این‌که مجبور باشیم فکر کنیم، اندام‌های خود را به حرکت در می‌آوریم. اما چگونه می‌توان فقط با قدرت فکر، اندام‌های مکانیکی و مصنوعی را به حرکت درآورد؟
عصب‌شناسان چند دهه در تلاش بوده‌اند تا با رمزگشایی از برخی علائم عصبی، اندام‌های مصنوعی را به حرکت درآورند. اکنون نسل جدیدی از رابط‌های رایانه و مغز تولید شده است که می‌تواند بین مغز و اندام مصنوعی ارتباطی یکپارچه برقرار کند و محققان در تلاشند کارآیی این رابط‌ها را تا حدی بالا ببرند که حرکات اندام‌های مصنوعی با دقت بالایی انجام شود.

از مغز تا ربات
در حال‌حاضر، دو نوع فناوری اصلی رابط مغز و رایانه داریم. اولی «رابط نوشتنی» رایانه و مغز است که با استفاده از تحریک‌های الکتریکی، علائم را به بافت‌های عصبی ارسال می‌کند. از این فناوری در آزمایش‌های بالینی به‌خوبی استفاده می‌شود. مثلا پروتزهایی ساخته شده که عصب شنوایی را تحریک کرده و باعث می‌شود ناشنوایان صداها را بشنوند.

نوع دیگر «رابط خواندنی» است. این رابط برعکس رابط پیشین، فعالیت‌های عصبی را ثبت می‌کند و هنوز در مراحل ساخت قرار دارد. البته نمونه‌های نه‌چندان پیشرفته این فناوری ساخته شده است، مانند دستگاه‌های الکتروانسفالوگرافی یا همان نوار مغزی، با ثبت فعالیت ناحیه‌ای به وسعت چند سانتی‌متر از بافت مغزی، فعالیت چند میلیون عصب را بررسی می‌کند. 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 یک از عصب‌هاست. مشاهده تغییرات تمام فعالیت‌های هر یک از عصب‌ها می‌تواند از آنچه در ناحیه‌ای مشخص از مغز اتفاق می‌افتد، تصویر دقیقی ارائه دهد.در سال‌های اخیر، به‌کارگیری ردیفی از الکترودهای کوچک کاشته شده در مغز توانسته است این نوع ثبت از فعالیت‌های عصبی مغز را انجام دهد. در هر ردیف ۴ در ۴ میلی‌متری، حدود ۱۰۰ الکترود قرار گرفته که می‌توانند فعالیت ۱۰۰ تا ۲۰۰ عصب را ثبت کنند.

علائم ثبت شده به سمت رمزگشاها حرکت می‌کنند. این رمزگشاها با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی، علائم دریافتی را به‌نوعی تحریک عصبی ترجمه کرده و موجب حرکت خاصی، مانند کنترل یک اندام رباتی یا یک رایانه می‌شوند. این رابط‌های خواندنی به افرادی که دچار جراحت‌های نخاعی، سکته مغزی، ام‌اس، اسکلروز جانبی آمیوتروفیک و دیستروفی ماهیچه‌ای شده‌اند کمک بسیاری می‌کند.

تلاش برای درمان افراد فلج
اکنون محققان روی افراد مبتلا به فلج چهار اندام متمرکز شده‌اند. همان‌هایی که به‌دلیل صدمات نخاعی روی دست‌ها و پاهایشان کنترل ندارند. یک 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 کرد که تمام علائم حسی را شناسایی می‌کند. 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 کردند تا به این وسیله کنترل اندام‌های مصنوعی را در آزمایشگاه‌ها به دست بگیرند. بزرگ‌ترین مانع بر سر این فناوری این است که بیماران نمی‌توانند با اندام‌های مصنوعی عصبی، به‌راحتی دستگاه پیس‌میکر قلب، سازگار شوند.
برای این منظور محققان به جای هدف قرار دادن قشر حرکتی مغز، علائم مناطق تداعی را در نظر گرفتند. این مناطق بخش بزرگی از قشر مخ هستند که به طور مستقیم درگیر فرآیندهای حسی و حرکتی نیست. این بخش نقش مهمی در فرآیندهای فکری ضروری برای حل مساله دارد. محققان امیدوارند بتوانند با استفاده از این بخش، علائم حسی متنوعی که قصد و خواسته بیمار فلج را نشان می‌دهد، به خوبی درک کنند.

آنها مناطق تداعی خاصی مانند قشر آهیانه‌ای خلفی را در مغز بررسی کردند. در این نواحی برنامه‌ریزی آغاز حرکات بدن انجام می‌شود. در بررسی‌های حیوانات آزمایشگاهی مشخص شد که نواحی مختلف زیر قشر آهیانه‌ای خلفی، حرکات چشم‌ها و پردازش حرکت اندام‌ها را کنترل می‌کند و بخشی از این ناحیه، قشر آهیانه‌ای است که حرکت دست‌ها را تحت کنترل خود دارد. محققان دریافتند که قشر واقع در لوب آهیانه‌ای قدامی مغز، مسؤول حرکات گرفتن اشیا با دست است. قشر آهیانه‌ای خلفی مغز نسبت به قشر حرکتی مغز، چند مزیت برای کنترل اندام‌های رباتیک یا مکان‌نمای رایانه‌ای به‌وسیله مغز دارد. اول این‌که، این قسمت هر دو دست را کنترل می‌کند. اما قشر حرکتی مغز در هر نیمکره، اندام‌های طرف دیگر بدن را کنترل می‌کند. همچنین قشر آهیانه‌ای مغز، هدف از حرکت را تعیین می‌کند. در حالی‌که قشر حرکتی، علامتی برای مسیری می‌فرستد که حرکت باید در آن صورت پذیرد. وقتی رابط رایانه و مغز، هدف از حرکت را درک کند، به سرعت و در کمتر از چند صد میلی‌ثانیه آن را رمزگشایی می‌کند. اما قشر حرکتی مغز برای انجام این کار به بیش از یک ثانیه نیاز دارد.

از آزمایشگاه تا بیمار
رابط رایانه و مغز قبل از سال ۱۳۹۲/ ۲۰۱۳ فقط در میمون‌ها آزمایش شده بود. سرانجام محققان در این سال، برای اولین‌بار این رابط را روی انسانی به نام اریک سورتو آزمایش کردند. روز اول آزمایش، آنها فعالیت عصبی را شناسایی کردند و تا پایان هفته، علائم عصبی و فعالیت آنها به اندازه کافی برای به حرکت درآوردن یک اندام رباتی انجام شد. فعالیت برخی از عصب‌ها متفاوت بود. وقتی سورتو چرخش دستش را تصور می‌کرد، فعالیت‌های متفاوت عصبی مشاهده می‌شد. اولین کاری که سورتو انجام داد، حرکت‌دادن دست رباتی در جهت‌های مختلف بود تا با یکی از محققان دست بدهد. سورتو با اندیشیدن به حرکات مختلف، می‌توانست شاهد ثبت عصب در قشر مغز خود شود و آنها را با اراده خود فعال کرده یا از حرکت بازدارد. او دوست داشت بتواند با استفاده از دست رباتی خود یک لیوان نوشیدنی بردارد. یک سال طول کشید تا سرانجام توانست این کار را انجام دهد!
الگوریتم مربوط به تصور انجام کاری، ورودی‌های ارسالی از دوربین‌های ویدئویی را تجزیه و تحلیل می‌کند و یک ربات هوشمند، علائم مربوط به خواسته‌ای را با الگوریتم‌های رایانه‌ای ترکیب کرده و حرکت بازوی رباتی را آغاز می‌کند.

چگونگی درک خواسته‌ها به‌وسیله مغز
محققان در بررسی‌هایشان روی بیماران دریافتند، عصب‌های مغز با علائم پردازش مربوط به چیزی که فرد می‌خواهد، هماهنگ می‌شوند. آنها توانستند یک‌سری از فعالیت‌های شناختی، از جمله راهبردهای ذهنی (تصویرسازی در برابر حرکت)، حرکت انگشتان، تصمیم‌گیری در برابر به یادآوردن محرک‌های بصری، حالات دست برای گرفتن چیزی، افعال حرکت مانند «گرفتن» و «هل دادن» و محاسبات ریاضی در مغز را رمزگشایی کنند.
در بررسی‌های بیشتر مشخص شد، برای این‌که فرد بتواند جسمی را بردارد، مغز باید جهت نگاه او را هم در نظر بگیرد. اما افرادی که قشر آهیانه خلفی آنها صدمه دیده است، این کار را نمی‌توانند درست انجام دهند.

محققان با بررسی بخش‌های مختلف مغز و عصب‌هایشان تلاش کردند، الکترودهای بهتری برای ارسال و دریافت بهتر علائم عصبی بسازند. این الکترودها 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 الکترودها باید بی‌سیم می‌بودند تا بدون استفاده از کابل‌های سیمی، به مغز فرد متصل شوند.

محققان پس از ساخت الکترودهای مورد نظر، آنها را با جراحی در مغز فرد قرار دادند و با استفاده از آن، دست رباتی را به حرکت درآوردند. اکنون آنها امیدوارند روزی بتوانند رابط‌های رایانه و مغزی تولید کنند که با نصب آنها فقط روی جمجمه فرد، حرکات اندام‌های رباتی را ممکن سازند.
در حال‌حاضر دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از فناوری رابط رایانه و مغز، یک اندام رباتی را به حرکت درآورند و این توانایی را که تاکنون در کتاب‌های علمی-تخیلی دیده می‌شد، به واقعیت تبدیل کنند. این اقدام راه را برای توسعه بخشیدن این فناوری در آینده و توانا ساختن معلولان در به‌کارگیری اندام‌های رباتی، باز کرده است.