رایانه فكر شما را می‌خواند

به نیروی بالقوه‌ای بیندیشید كه می‌تواند دستگاه‌ها‌ یا رایانه‌ها را بدون نیاز به هیچ چیز و فقط با فكر كنترل كند. این فقط برای راحتی افراد ناتوان نیست بلكه ایجاد واسط بین مغز و رایانه (brain-computer interface) كه به اختصار BCI گفته می‌شود، می‌تواند مهم ترین پیشرفت غیرمنتظره تكنولوژی در دهه‌های اخیر باشد.

مغز الكتریكی ما

نحوه كار BCI به چگونگی عملكرد مغز ما برمی‌گردد. مغز ما پر از نرون است؛ سلول‌های عصبی به‌سیله دندریت‌ها‌ و آكسون‌ها ‌با یكدیگر ارتباط دارند. هرگاه كه ما فكر، حركت یا حس می‌كنیم یا چیزی را به خاطر می‌آوریم، نرون‌های ما درحال كار هستند. این كار توسط سیگنال‌های الكتریكی كوچكی انجام می‌شود كه با سرعتی برابر 250 مایل بر ساعت ـ حدود km‌/‌h  156ـ از نرونی به نرون دیگر حركت می‌كنند. این سیگنال‌ها با انرژی الكتریكی متفاوت توسط یون‌ها روی غشای هر نرون تولید می‌شوند.

اگرچه مسیر این سیگنال‌ها با میلین(myelin) عایق‌بندی شده است، اما بعضی از سیگنال‌های الكتریكی می‌گریزند. دانشمندان می‌توانند این سیگنال‌ها را پیدا كنند، آنها را تفسیر كرده و برای كنترل بعضی از دستگاه‌ها استفاده كنند. برای مثال، محققان می‌توانند تشخیص دهند كه چه سیگنال‌هایی هنگام دیدن رنگ قرمز به وسیله عصب بینایی برای مغز ارسال می‌شود. آنها می‌توانند دوربینی را بسازند كه هنگام مشاهده رنگ قرمز سیگنال مشابهی به مغز ارسال كند تا فرد رنگ قرمز را بدون استفاده از چشم‌ها ببیند.

ورودی وخروجی BCI

امروزه یكی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش‌روی دانشمندان در مورد واسط بین مغز و رایانه، مكانیزم اصلی این واسط است. آسان‌ترین و  كم‌تهاجم‌ترین روش، استفاده از یك دسته الكترود ـ دستگاه ثبت امواج الكتریكی مغز به وسیله برق (electroencephalograph) (EEG) ـ روی پوست سر است. این الكترودها می‌توانند سیگنال‌های مغز را بخوانند. البته جمجمه مانع رسیدن بسیاری از سیگنال‌های الكتریكی به الكترودها می‌شود، كه این باعث كج فهمی سیگنال‌های دریافتی است.

برای دریافت سیگنالی با وضوح بالاتر، دانشمندان می‌توانند الكترودهایی را مستقیما در سلول‌های خاكستری مغز یا روی سطح مغز، زیر جمجمه قرار دهند. این كار اجازه می‌دهد تا سیگنال‌های بیشتری را مستقیما دریافت كنیم و همچنین اجازه می‌دهد تا الكترودها را در محل خاصی از مغز كه سیگنال‌های مناسب را تولید می‌كند، قرار دهیم. این شیوه مشكلات بسیاری دارد ؛ چرا كه برای این كار نیاز به یك عمل جراحی است تا الكترودها درون مغز قرار گیرند، به همین دلیل دستگاه برای مدت طولانی درون مغز می‌ماند كه باعث ایجاد زخم در ماده خاكستری مغز می‌شود. در نهایت این بافت زخم مانع عبور سیگنال‌ها می‌شود.

صرف نظر از محل الكترودها، ساز و كار اصلی همان است: الكترودها تفاوت جزئی ولتاژ بین نرون‌ها را اندازه‌گیری می‌كنند، سپس سیگنال تقویت و فیلتر می‌شود. در سیستم‌های BCI فعلی، این سیگنال توسط برنامه رایانه تفسیر می‌شود.

در مورد یك ورودی حسی BCI، عملكرد معكوس است. رایانه تصویری را كه به وسیله دوربین ویدئویی دیده شده است به سیگنال‌هایی با ولتاژ مناسب تبدیل می‌كند. سیگنال‌ها به ایمپلنتی كه به محلی مناسب در مغز قرار دارد ارسال می‌شوند و اگر همه چیز درست كار كند، نرون‌ها شروع به ارسال سیگنال می‌كنند تا تصویری نظیر آنچه دوربین دیده است دریافت شود.

راه دیگر برای اندازه‌گیری فعالیت مغز استفاده از MRI است. دستگاه MRI بزرگ و پیچیده است. این دستگاه تصویر بسیار دقیقی از فعالیت‌های مغز ارائه می‌كند ؛ اما نمی‌توان آن را به عنوان بخش دائمی BCI استفاده كرد. محققان آن را برای گرفتن معیارهایی درباره عملكرد خاصی از مغز یا پیدا كردن محل مناسب برای نصب الكترودها به كار می‌گیرند. برای مثال، اگر محققان بخواهند در مغز شخصی این الكترودها را قرار دهند تا او بتواند دست مصنوعی خود را با فكر كردن كنترل كند، از MRI استفاده می‌كنند. آنها شخص مورد نظر را در MRI قرار می‌دهند و از او می‌خواهند تا درباره حركت دادن یك دست واقعی فكر كند. MRI نشان خواهد داد كه كدام بخش مغز هنگام حركت دست فعال است و محل مناسب برای نصب الكترودها كجاست.

غشای انعطاف‌پذیر

تا مدت‌ها این‌گونه تصور می‌شد كه مغز افراد بالغ، دیگر دچار تغییر و تحول نمی‌شود. در دهه 1990، دانشمندان نشان دادند كه مغز انسان حتی در سن پیری نیز قابل تغییر است. این مفهوم، كه غشای انعطاف‌پذیر(cortical plasticity) نامیده می‌شود، به این معناست كه مغز می‌تواند به صورت شگفت‌آوری با شرایط محیطی جدید سازگار شود. چنانچه یك فرد بالغ دچار ضربه مغزی شود، قسمت‌ها‌ی دیگر مغز می‌تواند كارهای مربوط به بخش آسیب دیده را انجام دهد. چرا این موضوع برای BCI مهم است؟ این به آن معناست كه شخص می‌تواند یاد بگیرد BCI را كنترل كند، مغزش ارتباطات جدیدی ایجاد می‌كند و نرون‌های جدیدی را به كار می‌گیرد. در جایی كه از ایمپلنت استفاده می‌شود، مغز می‌تواند این جسم خارجی را بپذیرد و ارتباط تازه‌ای ایجاد كند تا ایمپلنت به عنوان قسمتی از دستگاه عصبی مغز كار كند.

معایب BCI

اكنون ما اصول پایه‌ای را كه در پشت BCIها وجود دارند می‌دانیم، همچنین می‌دانیم كه آنها كاملا درست كار نمی‌كنند. دلایل متعددی برای این موضوع وجود دارد.

1ـ مغز به صورت باور نكردنی پیچیده است. این كه گفته شود تمام افكار و فعالیت‌های ما ناشی از سیگنال‌های الكتریكی ساده‌ای است، یك كتمان حقیقت خواهد بود. در مغز انسان حدود 100 بیلیون ـ یك با بیست صفر در جلوی آن ـ نرون وجود دارد. هر نرون دائما درحال ارسال و دریافت سیگنال‌هایی است كه شبكه ارتباطی پیچیده‌ای را طی كرده‌اند.

2ـ سیگنال‌ها ضعیف و مستعد ایجاد تداخل هستند. EEG ـ دستگاه ثبت امواج الكتریكی مغز ـ ولتاژهای كم را اندازه‌گیری می‌كند. چیزی بسادگی پلك زدن می‌تواند سیگنال‌هایی بسیار قوی تولید كند. پالایش EEG‌ها و ایمپلنت‌ها شاید بتواند این مشكل را تا حدی در آینده حل كند، اما اكنون خواندن سیگنال‌های مغزی مانند گوش كردن یك ارتباط تلفنی بد است.

3ـ تجهیزات چندان قابل حمل نیستند. البته این بهتر از كار كردن با رایانه‌های غول‌پیكر اولیه است. اما هنوز بعضی از BCI‌ها به تجهیزات ارتباط سیمی نیاز دارند و آنهایی كه بی‌سیم هستند نیاز به یك رایانه 10 پوندی ـ حدود 5‌/‌4 كیلوگرم ـ دارند. مانند تمام تكنولوژی‌ها، یقینا این فناوری در آینده بی‌سیم و قابل حمل‌تر می‌شود.

نوآوری در عرصه BCI

چند شركت در زمینه BCI پیشگام هستند. بیشتر آنها، اكنون در مرحله تحقیقات‌اند، اگرچه چند محصول تجاری ارائه شده است.

1ـ سیگنال‌های عصبی یك فناوری پیشرفته برای بازگرداندن توانایی حرف زدن به افراد معلول است. ایمپلنتی كه در منطقه مربوط به سخن گفتن مغز قرار دارد می‌تواند سیگنال‌ها را برای رایانه و بعد از آن برای بلندگو ترجمه كند. با آموزش، فرد یاد می‌گیرد كه به هر 39 واج انگلیسی بیندیشد و سخنان او توسط رایانه و بلندگو باز‌آفرینی شود.

2ـ ناسا درحال تحقیق درباره سیستم مشابهی است، البته ناسا سیگنال‌ها را به جای دریافت مستقیم از مغز، از اعصاب دهان و گلو دریافت می‌كند. آنها در انجام جستجوی وب در گوگل با استفاده از تایپ ذهنی كلمه «ناسا» موفق بوده‌اند.

3ـ Cyberkinetics واسط عصبی است كه به معلولان اجازه می‌دهد صندلی چرخدار، اعضای مصنوعی یا مكان نمای رایانه را به صورت ذهنی كنترل كنند. BCI هنوز در اول راه است. می‌توان با این فناوری آینده‌ای را تصور كرد كه در آن افراد معلول قادر خواهند بود زندگی طبیعی داشته باشند و برای افراد عادی كنترل بسیاری از دستگاه‌ها فقط با نیروی ذهن امكان‌پذیر باشد.

منبع: jamejamonline