Y@SiN
09-13-2009, 08:01 PM
رابط مغز - كامپيوتر؛ نقطه تلاقي انسان و ماشين
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg ترجمه: هومن تحويلداري
ماهنامه شبکه - تير ۱۳۸۶ شماره 77
اشاره :
سال‌هاست كه محققان در مورد شاخه‌اي از پيوند انسان و ماشين مطالعه مي‌نمايند كه هيچ ارتباطي با داستان‌هاي علمي-تخيلي ندارد؛ موضوعي با نام Brain-Computer interface يا رابط مغز - كامپيوتري. BCIها با خواندن سيگنال‌هاي الكتريكي يا ديگر علائم مغزي و تبديل كردن آن‌ها به اطلاعات ديجيتال، اين اطلاعات را به گونه‌اي براي كامپيوتر، قابل درك، تفسير و پردازش مي‌نمايند تا با استفاده از آن‌ها بتوان اعمالي مانند به حركت درآوردن مكان‌نما يا روشن كردن تلويزيون را انجام داد.
منبع: IEEE Computer
امروزه بسياري از محققان صنعتي و دانشگاهي جهت تجاري ساختن اين فناوري تلاش مي‌كنند و در همين راستا پروژه‌هاي فراواني با هدف دستيابي به نوآوري‌هاي جديد در زمينه BCI در سرتاسر جهان در جريان هستند. عمده اهداف اين پروژه‌ها دستيابي به محصولات و سرويس‌هاي متنوع و كاربردي در آينده‌اي نه‌چندان دور است.
اين فناوري‌ها براي افرادي كه به دليل آسيب‌ديدگي‌هاي نخاعي يا ناتوانايي‌هايي همچون بيماري تصلب و تحليل عضلات (ALS) يا اختلالات مغزي قادر به استفاده عادي از دست‌ها و بازوهاي خود نيستند، نويدبخش خبرهاي خوشحال‌كننده‌اي خواهد بود.
استفاده از BCI حتي براي فعاليت‌هاي تحقيقاتي نيز فوايدي به همراه خواهد داشت. ايده‌هايي مطرح گرديده‌اند كه مي‌توانند نقطه شروعي براي رسيدن به تكنيك‌هايي همچون تأييد هويت بيومتريك و ديگر موارد امنيتي با استفاده از امواج مغزي باشند.
نحوه عكس‌العمل مغز كاربر به برخي از محرك‌ها مي‌تواند تعيين‌كند كه آيا براي مثال، شخص اجازه ورود به يك ساختمان يا استفاده از يك رايانه را دارد يا خير.
به همين خاطر، BCI به‌عنوان حركتي كه مي‌تواند موجب افزايش بازدهي در بازار شود، توجه‌ها را به خود جلب نموده است. البته تا فراگير شدن و استفاده گسترده از اين فناوري راه درازي در پيش است و اكنون نيز با مشكلاتي همچون عدم پذيرش از سوي كاربران و دقت پايين سيگنال روبه‌رو است.
پيشينه BCI
پژوهش‌ها در زمينه BCI بسيار وسيع است و شاخه‌هايي همچون نانوفناوري، زيست‌فناوري، فناوري اطلاعات، علوم روانشناختي، علوم كامپيوتري، مهندسي بيومديكال، عصب‌شناسي و رياضيات كاربردي، را در بر مي‌گيرد.
تاريخچه
دانشمندان از اوايل دهه 1970 ميلادي فعاليت‌هاي خود در زمينه BCI را آغاز نمودند. در آن زمان Jacques Vidal، پروفسور بازنشسته دانشگاه كاليفورنيا، هدايت پروژه «رابط مغز-كامپيوتر» را با پشتيباني دانشگاه در دست گرفت. در طول اين مدت، محققان با نصب حسگرهاي ساده BCI در بدن موش‌ها، ميمون‌ها و انسان آزمايش‌هايي را در اين زمينه انجام دادند.
در اواخر دهه 1990 ميلادي محققان انستيتو فناوري جورجيا، با همكاري دانشگاه Emory، با نصب يك الكترود در غشاي پوستي مغز يك بيمار كه به علت عارضه فلج ناحيه زير گردن قدرت تكلم خود را از دست داده بود، پتانسيل‌هاي درماني BCI را به نمايش گذاشتند. تكنيك به كار رفته در آن عمل، بيمار را قادر ساخت با برقراري ارتباط با كامپيوتر، مكان‌نما را به حركت در بياورد.
در سال 1999 اساتيد دانشكده پزشكي MCP Hahnemann، با همكاري پژوهشگران دانشگاه پزشكي Dukeموش‌هايي را تربيت كردند كه با استفاده از سيگنال‌هاي مغزي خود، يك شير آب برقي را به حركت در مي‌آوردند.
رويكردهاي هجومي و غيرهجومي
دو روش عمده در مبحث BCI وجود دارد: تكنيك‌هاي هجومي (Invasive) كه بر اساس آن الكترودها را مستقيماً در داخل مغز بيمار قرار مي‌دهند و تكنيك‌هاي غيرهجومي (noninvasive) كه در آن‌ها ابزارهاي اسكن يا سنسورهايي روي كلاه يا نوار نصب مي‌شود و با نصب روي سر بيمار سيگنال‌هاي مغزي را مي‌خوانند.
http://pnu-club.com/imported/2009/09/1155.jpg
بنا بر نظر پروفسور تئودور برگر، استاد دانشگاه كاليفورنياي جنوبي و استاد بخش مطالعات رابط مغز-كامپيوتر در مركز سنجش فناوري جهاني، هر دو روش اشكالاتي دارند.
مسلماً روش‌هاي غيرهجومي آسيب كمتري به بدن وارد مي‌كنند، اما در مقابل، خواندن سيگنال‌هاي مغز با استفاده اين روش‌ها كارايي پايين‌تري نسبت به روش‌هاي هجومي دارند؛ زيرا در اين حالت الكترودها دقيقاً روي بخش مورد نظر مغز قرار نمي‌گيرند.
در عوض، تكنيك‌هاي هجومي نيازمند انجام عمل جراحي هستند كه اين خود خطر آسيب يا عفونت مغز بيمار را به دنبال دارد.
برگر خاطر نشان مي‌سازد در روش‌هاي غيرهجومي، توانايي نصب الكترودها روي تمام قسمت‌هاي مغز، امكان شناسايي محدوده وسيع‌تري از فعاليت‌هاي مغزي را فراهم مي‌آورد. اين امكان مي‌تواند بسيار سودمند باشد؛ زيرا سلول‌هايي كه حركات مركب و چندگانه بخش‌هاي مختلف بدن را تحت كنترل دارند، در نقاط متفاوتي از مغز قرار گرفته‌اند.
وي مي‌افزايد: «پردازش و توليد حجم عظيمي از اطلاعات توسط نرون‌ها (سلول‌هاي عصبي) آن هم در وضعيتي كه منبع اين اطلاعات در چند نقطه متفاوت از مغز قرار دارد، براي سيستم‌هايBCI كار دشواري خواهد بود.»
دستاوردهاي جديد BCI
شركت‌ها و دانشگاه‌هاي متعددي در حال انجام تحقيقات بسيار مهمي روي شاخه‌هاي گوناگوني از BCI هستند. براي مثال و به گفته ller-Putz Gernot M، فوق دكترا و محقق و مدرس دانشگاه zGra، دانشمندان لابراتوار BCI اين دانشگاه در حال تحقيق روي روشي هستند كه به بيماران كمك مي‌كند با استفاده از BCI بتوانند بر پروتزها و اندام مصنوعي خود كنترل داشته باشند.
شركت NeuroSky نيز در حال كار روي نوعي برنامه بر پايه BCI است. Johnny Liu، سخنگوي اين شركت، مي‌گويد: «اين برنامه مخصوص مراكزي طراحي شده است كه خدمات بهداشتي و پزشكي ارائه مي‌نمايند.»
وي مي‌افزايد: «موارد استفاده از اين برنامه شامل درمان بيماري‌هاي نارسايي ADD و همچنين استفاده در حوزه سرگرمي‌ها شامل بازي‌هاي ويديويي و اسباب بازي است.»
فعاليت‌هاي سايبرسينتيك در دانشگاه براون: روش جديد تهاجمي
با استفاده از سيستم‌هاي سايبرسينتيك عصبي، دستگاه جديدي به نام «سيستم رابط عصبي دروازه مغز» ابداع گرديده است. اين سيستم كه كاربري آن در موارد پزشكي است، به گونه‌اي طراحي گرديده كه بيماراني با آسيب‌هاي نخاعي يا ديگر انواع اختلالات كنترلي، با استفاده از آن خواهند توانست با استفاده از افكار خود كامپيوتر را كنترل نمايند.
روش «دروازه مغزي» بر پايه تحقيقات پروفسور John Donoghue، بنيانگذار مبحث سايبرسينتيك و دانشمند ارشد دانشگاه براون، ابداع گرديد. تحقيقات پروفسور Donoghue با تمركز بر نحوه تفكر مغز انسان، در جست‌وجوي راهي بود كه مغز افكار را به سيگنال تبديل مي‌كند.
اين سيگنال‌ها انجام اعمالي همچون به حركت درآوردن بازو را ممكن مي‌سازند. وي با طرح يك مثال توضيح داد زماني كه فردي بخواهد بازويش را حركت دهد، ميليون‌ها سلول عصبي اقدام به ارسال پالس‌هايي در الگوهاي پيچيده مي‌نمايند.
در اواخر دهه 1990 ميلادي محققان انستيتو فناوري جورجيا، با همکاري دانشگاه Emory، با نصب يک الکترود در غشاي پوستي مغز يک بيمار که به علت عارضه فلج ناحيه زير گردن قدرت تکلم خود را از دست داده بود، پتانسيل‌هاي درماني BCI را به نمايش گذاشتند.
اين پالس‌ها توسط تيره نخاعي كه در مركز ستون فقرات قرار دارد دريافت و تبديل به سيگنال‌هايي مي‌شوند كه توانايي كنترل عضلات را دارند.
با استفاده از تكنيك‌هايي همچون آرايه‌اي از الكترودهاي چندگانه و تصويربرداري مغناطيسي تشديدي (functional Magnetic Resonance Imaging: fMRI)، تيم تحقيقاتي Donoghue با ثبت سيگنال‌هاي مغزي يك بيمار، استفاده از پردازنده‌هاي سيگنال ديجيتالي (DSP) و همچنين به كارگيري الگوريتم‌هاي مناسب، اين سيگنال‌ها را به فرمتي تبديل كردند كه براي كامپيوتر قابل استفاده و پردازش مي‌باشند.
براي اين‌كار بيمار ابتدا در يك دستگاه اسكنر MRI قرار داده شود. اسكنر با ايجاد يك ميدان مغناطيسي و استفاده از سيگنال‌هاي راديويي، به ثبت نحوه حركت و گردش خون در مغز مي‌پردازد. اين مبحث يعني مطالعه نيروهاي مؤثر در جريان خون كه شاخه‌اي از فيزيولوژي محسوب مي‌شود را با نام همودايناميك (hemodynamic) مي‌شناسند. براي اين‌كار، چگونگي عكس‌العمل و تغيير گردش خون در زماني كه بيمار براي مثال به تكان دادن اندام مصنوعي يا به حركت درآوردن مكان نماي كامپيوتر اقدام مي‌نمايد، مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
تغييرات همودايناميك اين موارد را در برمي‌گيرد: افزايش جريان خون و بالا رفتن ميزان ارسال هموگلوبين به سلول‌هاي عصبي كه دخالت فعالانه دارند.
http://pnu-club.com/imported/2009/09/1156.jpg
شکل 1- شرکت Honda Motor Corp موفق به ساخت يک سيستم BCI گرديده است که مي‌تواند دست روباتيکي را حرکت دهد. زماني که فرد در داخل دستگاه MRI دست يا انگشتان خود را حرکت مي‌دهد، اسکنر MRI با تشخيص سيگنال‌هاي مغزي مرتبط با اين حرکت و پردازش آن‌ها، با استفاده از يک نرم‌افزار رابط، فراميني را به دست مصنوعي ارسال مي‌کنند تا مشابه آن حرکات را انجام دهد.
در يك تحقيقات باليني، سايبرسينتيك با استفاده از سيستم دروازه مغزي (BrainGate) به يك بيمار داوطلب كه از گردن به پايين دچار فلج گرديده كمك نمود فعاليت‌هايي همچون بازي رايانه‌اي يا استفاده از كنترل از راه دور تلويزيون را انجام دهد.
يك آرايه از ميكروالكترودها از طريق جراحي در غشاي مغزي بيمار قرار داده شد. محل كاشت الكترودها در ناحيه قدامي دو نيمكره مُخ و در پيشاني واقع است.
اين ناحيه در حقيقت با ارسال سيگنال به تيره نخاعي و از آنجا به ديگر اعضاي بدن، به حركت دادن بدن يا اشياي كمك مي‌نمايد.
اين آرايه به صورت مربعي با اضلاعي به طول چهار ميلي‌متر، به يكصد عدد ميكروالكترود سيليكوني مجهز است.
وظيفه اين الكترودها حس كردن و ارسال پالس‌هاي الكتريكي از طريق سلول‌هاي عصبي چندگانه است. با تمركز افكار بيمار حول انجام يك عمل (مانند حركت دادن يك شيء)، پالس‌هاي قوي و جريانات الكتريكي شديدي توسط سلول‌هاي عصبي ايجاد مي‌گردد.
سپس اين سيگنال‌ها به يك كانكتورِ تيتانيوميِ متصل به جمجمه انتقال مي‌يابند و از آنجا و از طريق يك رشته فيبرنوري به آمپلي‌فايري كه وظيفه تقويت امواج را بر عهده دارد، ارسال مي‌گردند. خروجي اين آمپلي‌فاير به يك دستگاه كامپيوتر متصل است و در آنجا سيگنال‌ها در خروجي به فرمت‌هاي دلخواه تبديل مي‌گردند.
BrainGate يا دروازه مغزي در دو آزمايش باليني ديگر نيز به كار گرفته شده است: يكي با هدف بازگشت تواناييِ به حركت درآوردن اعضاي بدن در بيماراني كه دچار آسيب نخاعي، ضربه مغزي يا تحليل عضلاني گرديده‌اند و ديگري برقراري ارتباط براي بيماراني كه از ناتواني‌هاي ناشي از آسيب‌هاي عصبي مانند بيماري ALS رنج مي‌كشند. شركت NeuroSky انتظار دارد سيستم نهايي را تا سال 2008 يا 2009 به صورت تجاري وارد بازار نمايد.
به گفته Timothe Surgenor، مديرعامل اين شركت، نهايتاً اين اميد وجود دارد كه سايبرسينتيك با تكميل سيستم بتواند امواج مغزي را به صورت بي‌سيم به آمپلي‌فاير و از آنجا به رايانه منتقل نمايد تا بدين وسيله نياز به كانكتور و كابل از بين برود.
مركز Wadsworth؛ تلاشي ديگر از نوع غيرمخرب
مركز بهداشت عمومي Wadsworth واقع در نيويورك كه به يك آزمايشگاه مجهز است، نوع ديگري از يك روش غيرمخرب را ابداع نموده است. در اين روش با استفاده از يك دستگاه موج‌نگار مغزي (Electro Encephalo Gram:EEG) كه به صورت يك كلاه روي سر بيمار قرار مي‌گيرد، امواج مغزي از طريق ثبت فعاليت‌هاي الكتريكي سلول‌هاي عصبي مغز دريافت مي‌گردند.
تيم تحقيقاتي اين مركز با رهبري Jonathan Wolpaw، مدير بخش اختلالات سيستم عصبي آزمايشگاه Wadsworth و استاد دانشگاه آلباني، دستگاه تحقيقاتي BCI2000 را ابداع نمودند. در اين دستگاه، يك ثبت‌كننده EEG مجهز به دويست الكترود، با استفاده از نوعي چسب خميرمانند كه قابليت رسانايي بالايي دارد، به صورت كلاه روي جمجمه بيمار قرار داده مي‌شود و به اين شكل سيگنال‌هايي كه سلول‌هاي عصبي ارسال كنند را ثبت مي‌نمايد.
اين سيستم از يك آمپلي‌فاير شانزده كاناليِ مخصوص تقويت علايم حياتي (Biosignal)، براي تقويت امواج دريافت شده استفاده مي‌كند. پس از آن بخش پردازنده سيگنال ديجيتالي (DSP) با بررسي و اندازه‌گيري سيگنال‌ها، اطلاعات آن‌ها را با استفاده از يك ديجيتايزر به فرمت ديجيتال و مناسب براي استفاده و پردازش در رايانه آماده مي‌نمايد. به گفته Wolpaw براي بالا بردن كارايي دستگاه، اعضاي تيم تحقيق به بيماران مي‌آموختند كه چه تمرين‌هايي را انجام بدهند تا بيشترين كنترل را بر امواج مغزي خود داشته باشند.
يكي از برنامه‌هاي Wadsworth، ساخت دستگاهي است به نام P300 كه به كمك افرادي ميآيد كه مشكل ناتواني در تكلم دارند. اين دستگاه بلافاصله پس از تجربه يك محرك حسيِ غيرمنتظره و قوي از سوي بيمار، با ارسال يك پالس ولتاژ مثبت كه روي موج نگار EEG به صورت يك موج رو به بالا ثبت خواهد شد، عكس‌العمل نشان مي‌دهد. اين امواج مغزي حاوي هيچ‌گونه اطلاعاتي نيستند، اما در عوض سيستم Wadsworth را قادر مي‌سازند تمايل بيمار براي برقراري يك ارتباط (به هر شكل ممكن) را بازگو كند.
براي بيمار مجموعه‌اي از حروف و اشكال به صورت تصادفي نمايش داده مي‌شود و هنگامي كه نوبت نمايش عكس يا حرف مورد نظر مي‌رسد، دستگاه موج‌نگار مغزي P300 يك ولتاژ ارسال مي‌كند. پس از آن و در مرحله بعدي، BCI2000 اين ولتاژ را دريافت مي‌كند و عكس يا حرف مورد نظر را علامت‌گذاري مي‌نمايد.
اين فرآيند در حال حاضر كُند است؛ با سرعت دو تا چهار حرف در دقيقه. Wolpaw دليل اين امر را نيازمندي سيستم به زمان كافي براي جمع‌آوري سيگنال‌ها از نواحي مختلف مغز، جداسازي سيگنال‌هايي كه از عصب‌هاي مناسب آمده‌اند، و در انتها ترجمه مناسب اين سيگنال‌ها به اعمال مورد نظر بيمار، ذكر مي‌كند. وي مي‌افزايد: «محققان در تلا‌شند با طراحي روش‌هاي مناسب‌تر براي آناليز سيگنال‌ها، سرعت سيستم را بهبود ببخشند.»
Wolpaw در انتها يادآوري مي‌كند كه اين گروه در نظر دارد با تأسيس يك مؤسسه غيرانتفاعي، امكان دسترسي افراد نيازمند را به اين سيستم آسان‌تر سازد.
هوندا؛ فناوري MRI
شركت ژاپني هوندا اخيراً با همكاري آزمايشگاه‌هاي علوم عصبي ATR و در اجراي يك پروژه مشترك با استفاده از امواج مغزي حركات ساده يك روبات را كنترل نمودند.
مطابق توضيحات Yukiyasu Kamitani، يكي از محققان ATR، شركت‌كنندگان در آزمايش در داخل يك اسكنر MRI قرار داده شدند و از آنان خواسته شد در همان حال دست‌ها و انگشتان خود را در جهات مشخصي حركت دهند.
مشابه آنچه كه در سيستم سايبرسينتيك ديديم، اسكنر هوندا نيز علايم مغزي فرد آزمايش شونده را ثبت مي‌كند. پس از آن سيستم سيگنال‌هاي MRI را از طريق كابل‌هاي شبكه و با استفاده از پروتكل TCP/IP به يك دستگاه كامپيوتر ارسال مي‌كند. اين اطلاعات در داخل كامپيوتر پردازش مي‌شوند و سپس با استفاده از يك نرم‌افزار ويژه، دستورات لازم براي به حركت درآمدن دست روباتيك صادر مي‌گردند.
همان‌طور كه در شكل 1 نشان داده شده است، چنانچه فرد در داخل اسكنر دست خود را مشت كند يا اقدام به باز كردن انگشتان دست خود بنمايد، دست مصنوعي نيز دقيقاً همان حركات را انجام خواهد داد.
آن‌گونه كه Sachi Ito، سخنگوي شركت هوندا، مي‌گويد، اين شركت در خلال دهه آينده با بهره بردن از نتايج اين تحقيقات اقدام به بهبود روبات محبوب اين شركت يعني Asimo خواهد نمود تا بتواند در آينده به طور وسيعي از اين روبات در اهداف مرتبط با روابط عمومي و همچنين فعاليت‌هاي تبليغاتي استفاده نمايد.
در آينده دور ممكن است اين فناوري سبب ايجاد ابداعاتي در زمينه ايمني گردد. Kamitani به مثالي اشاره مي‌كند كه در آن سيستم با درك قصد و هدف راننده (مانند جهتي كه راننده مي‌خواهد به آن سمت تغيير مسير دهد) و تبديل آن به اطلاعات مناسب، اين اطلاعات را با ديگر رانندگان و همين‌طور عابران پياده به اشتراك بگذارد. وي همچنين اشاره مي‌كند كه در حال حاضر قابل‌حمل‌بودن اين سيستم‌ها مسئله مهمي است؛ زيرا دستگاه‌هاي MRI وزني بالغ بر چندين تن دارند.
دانشگاه استنفورد؛ برنامه‌ريزي براي تشخيص حركت
هدف از تحقيقات BCI در دانشگاه استنفورد، تشخيص سيگنال‌هايي است كه مغز هنگام تصميم براي حركت دادن بدن به سمتي مشخص ايجاد مي‌نمايد.
«هرگاه ما بدن خود را حركت مي‌دهيم، ابتدا و پيش از هر چيز براي انجام آن حركت تصميم مي‌گيريم.» اين سخن پروفسور Krishna shenoy، استاديار دانشگاه استنفورد و مدير آزمايشگاه سيستم‌هاي عصبي مصنوعي اين دانشگاه، است.
وي در ادامه مي‌گويد: «فهم برنامه‌ريزي و نحوه عملكرد فعاليت‌هاي عصبي، اهميت فوق‌العاده‌اي در بحث اندام‌هاي مصنوعي دارند؛ زيرا اين موضوع به شما خواهد گفت كه براي مثال، حركت دست در چه نقطه‌اي بايد پايان پذيرد و اين حتي پيش از لحظه‌اي است كه شما حتي حركت را شروع كرده باشيد.»
Shenoy خاطر نشان مي‌كند: «اطلاعاتي كه از مطالعه نحوه برنامه‌ريزي مغز انسان به دست ميآيد، به شكلي مؤثر موجب پيشرفت در برآوردهاي رياضي قضيه خواهند شد. كاربرد اين برآوردها در تخمين نحوه حركت بازو و افزايش بازدهي سيستم از طريق بالا بردن سرعت و دقت دستگاه است.»
به همين دليل، تيم تحقيقاتي بررسي‌هاي خود را معطوف نحوه برنامه‌ريزي سلول‌هاي عصبي مغز براي به حركت درآوردن بازو نموده‌اند.
گروه Shenoy اميدوار است نتايج اين تحقيقات به ساخت اندام‌هاي مصنوعي مؤثرتر و طراحي سيستم‌هايي منجر گردند كه كاربران با استفاده از آن قادر باشند كنترل دستگاه‌هاي مختلف را در دست بگيرند.
دانشگاه كلمبيا؛ جست‌وجوي تصويري
دانشمندان آزمايشگاه محاسبات عصبي و تصويربرداري هوشمند دانشگاه كلمبيا (LIINC) در حال طراحي يك سيستم BCI هستند كه قادر خواهد بود با سرعتي بالاتر از سرعت انسان و حتي كامپيوتر، تصاوير را جست‌وجو نمايد.
اين تحقيق كه سرمايه آن به صورت فدرالي تأمين گرديده قادر است با جست‌وجوهاي سريع در بين تصاوير ويديويي، در يافتن مجرمان، خرابكاران و ديگر فعاليت‌هاي مشكوك به مجريان قانون كمك كند.
مطابق توضيحات مدير آزمايشگاه LIINC، پروفسور Paul Sajda، سيستم C3Vision يا Cortically Coupled Computer Vision، با بهره‌گيري از قابليت‌هاي مغز انسان قادر است عناصر جديد، غيرعادي، جالب توجه يا نادر را در ميان انبوهي از تصاوير و با سرعتي بسيار بالاتر از آنچه انسان قادر به شناسايي آن‌ها باشد، تشخيص دهد.
http://pnu-club.com/imported/2009/09/1157.jpg
شکل 2- در سيستم بيومتريک پيشنهادي دانشگاه کارلتون که مبتني بر BCI است، آزمايش‌شوندگان از افکار مشخصي به‌عنوان کلمه عبور (که در اينجا از آن با نام افکار عبور «pass-thoughts» ياد مي‌شود) استفاده مي‌کنند. زماني که فردي قصد دسترسي به يک سيستم يا يک ساختمان حفاظت شده را دارد، براي انجام عمليات احراز کافي است به کلمه عبور ذهني مورد نظر فکر کند. در اين حال قطعه سربندي که به تعدادي الکترود مجهز است، سيگنال‌هاي مغزي را ثبت مي‌نمايد. پس از آن سيستم با استخراج مشخصه‌هاي سيگنال مزبور، اطلاعات به دست آمده را براي پردازش به يک دستگاه رايانه ارسال مي‌کند. اين اطلاعات شامل هويت خصيصه‌هاي فرعي است که دقيقاً با اطلاعات مربوط به کلمه عبور ذهني مطابقت داشته باشند. در انتها سيستم بيومتريک موجود به مقايسه خصيصه‌هاي فرعي با آنچه که پيش از آن براي هر يک از کاربران مجاز ذخيره شده است، اقدام خواهد نمود.
سيستم C3Vision تصاوير را با سرعت بسيار بالا براي افراد مايل به بالا بردن توانايي‌هاي خود در فعاليت‌هاي گوناگون نمايش مي‌دهد.
براي مثال، افسران پليس مي‌توانند از اين سيستم جهت كشف فعاليت‌هاي مجرمانه استفاده كنند يا راديولوژيست‌‌ها از آن براي تشخيص اختلالات فيزيولوژيكي در عكس‌ها مانند تصاوير ماموگرافي بهره ببرند.
كاربر دستگاه يك كلاه EEG را بر سر مي‌گذارد. اين كلاه وظيفه اندازه‌گيري سيگنال‌هاي الكتريكي گروه‌هاي عصبي را بر عهده دارد كه در نقاط مختلف مغز واقع هستند.
بنا به گفته Sajda، سيستم C3Vision از اين اطلاعات براي شناسايي صحنه‌هايي استفاده خواهد كرد كه از ديد كاربر صحنه‌هايي خاص و ويژه محسوب مي‌شوند. در ادامه سيستم با در نظر گرفتن شدت و ضعف سيگنال دريافتي از مغز فرد مشاهده‌كننده، اقدام به دسته‌بندي صحنه‌ها بر اساس اهميت آنان مي‌نمايد.
به گفته Sajda اين توانايي اهميت خاصي در بين سيستم‌هاي بصري رايانه‌اي دارد؛ زيرا محدوديت قدرت مغز انسان در شناسايي سريع اشياي مشاهده شده در موقعيت‌ها، حالت‌ها و محيط‌هاي متفاوت با استفاده از چنين سيستم‌هايي بسيار بهبود خواهد يافت.
دانشگاه فناوري هلسينكي؛ MEG
دانشمندان گروه تحقيقاتي آزمايشگاه علوم و فناوري مهندسي محاسباتي دانشگاه هلسينكي در فنلاند از يك سرپوش EEG براي ثبت امواج مغزي استفاده مي‌كنند تا به كاربر كمك كنند با فكر كردن به حركات دست، از يك صفحه كليد مجازي استفاده نمايد.
همچنين اين گروه تحقيق با مطالعه استفاده از مغزنگاري مغناطيسي (magnetoencephalography:MEG) به روشي دست يافتند كه بر اساس آن موفق شدند ميدان مغناطيسي ضعيفي كه از طريق فعاليت‌هاي الكتريكي مغز به وجود ميآيد را ثبت كنند.
براي تعيين اين‌كه كاربر چه قصد و منظوري دارد، سيستم‌هاي MEG اقدام به تفسير و ترجمه اين ميدان‌هاي مغناطيسي مي‌نمايند. روش كار در اينجا بسيار مشابه روش كار سيستم‌هاي EEG در تفسير سيگنال‌هاي الكتريكي خواهد بود.
محققان دانشگاه هلسينكي اظهار مي‌كنند كه دليل علاقمندي آنان به سيستم MEG، حساسيت بالا و دقت خوب اين دستگاه‌ها است.
در هر حال فاكتور قابليت حمل، موضوع مهمي خواهد بود؛ زيرا از آنجايي كه همانند اسكنرهاي MRI، كاربر (يا بيمار) براي به راه‌اندازي سيستم بايد در داخل دستگاه قرار گيرد، اين‌گونه دستگاه‌ها از اندازه‌هاي بزرگي برخوردار خواهند بود.
دانشگاه كارلتون؛ بيومتريك
دانشگاه كانادايي كارلتون در حال كار روي يك نوع ابزار تشخيص هويت است كه اساس كار آن بر مبناي سيستم BCI است. اين وسيله جايگزين خوبي براي انواع روش‌هاي سنتي و قديمي‌تر مانند اسكنرهاي اثر انگشت يا شبكيه چشم خواهد بود.
محققان دانشگاه كارلتون با بررسي نحوه عكس‌العمل مغز به محرك‌هاي محيطي مانند صدا يا تصوير به روشي دست يافتند كه از آن مي‌توان در جهت تأييد و تصديق هويت استفاده نمود. به گفته Julie Thorpe، دانشجوي دكتراي دانشگاه كارلتون، آزمايش‌ها نشان مي‌دهند كه امواج EEG مغز كه در پاسخ به محرك‌هاي محيطي ايجاد مي‌شوند در هر شخص منحصر به فرد بودند و از اين بابت داراي پتانسيل‌هاي بيومتريك هستند.
البته محققان اين دانشگاه تاكنون موفق به ساخت دستگاهي نشده‌اند كه بر اين اساس عمل نمايد، اما اساساً مي‌توان تصور نمود كه كاربر با پوشيدن يك كلاه مخصوص مجهز به تعداد زيادي الكترود، با فشار دادن يك دگمه يا كليد روي صفحه كليد، عمليات «احراز هويت بيومتريك» را آغاز مي‌كند و با فكر كردن به يك موضوع خاص كه به‌عنوان كلمه عبور يا (pass-thought) عمل مي‌نمايد، به سيستم دسترسي مي‌يابد و در انتها با فشار دادن كليدي ديگر، عمليات را خاتمه مي‌دهد.
پس از اين‌كار سيستم به ثبت و ذخيره سيگنال‌هايي مي‌پردازد كه مغز كاربر در هنگام فكر كردن به pass-thoughtايجاد نموده است و در انتها با استخراج كليه ويژگي‌هاي خاص اين سيگنال‌ها، اطلاعات را براي پردازش به رايانه انتقال مي‌دهد.
هنگامي كه كاربران مي‌خواهند به يك سيستم حفاظت شده دسترسي پيدا كنند، كافي است pass-thought خود را ايجاد كنند. سپس سيستم بيومتريك با استخراج و ثبت خصيصه‌هاي مربوطه و همان‌طور كه در شكل 2 نشان داده شده است، به مقايسه آنان با نمونه‌هاي ذخيره شده مربوط به كاربران مجاز مي‌پردازد.
برخلاف ديگر اقدامات انجام شده در زمينه ساخت سيستم‌هاي بيومتريك، سيستم دانشگاه كارلتون به كاربران اجازه مي‌دهد با تغيير در محرك‌ها، شناسه خود را نيز تغيير دهند.
سيگنال‌هاي عصبي؛ الكترودهاي بافت‌هاي عصبي
اخيراً و با استفاده از خواص سيگنال‌هاي عصبي پروژه‌اي راه‌اندازي شده كه موضوع آن ساخت دستگاه احياي قدرت تكلم يا «speech-restoration» است. اين دستگاه با كارگذاشتن الكترودهاي عصبي در ناحيه بروكاي مغز بيمار، به دريافت سيگنال‌هاي عصبي مي‌پردازد.
اين ناحيه از مغز كه وظيفه كنترل تكلم را برعهده دارد، در بخش پاييني ناحيه قدامي دو نيمكره واقع است. بنا به اظهارات Phil Kennedy، دانشمند ارشد پروژه، اين دستگاه سلول‌هاي عصبي را وادار مي‌سازد با چسبيدن به نوك الكترودهاي كارگذاشته شده در همان ناحيه، رشد كنند و بدين ترتيب و از طريق سيم‌هاي متصل شده، سيگنال‌هاي مغزي را براي ثبت و پردازش ارسال نمايند. وي در ادامه خاطر نشان كرد كه اتصال ميان رشته‌هاي عصبي و الكترودها موجب تداوم و پايداري سيگنال مي‌گردد.
محققان مشخص نموده‌اند كه كدام سيگنال‌هاي مغزي مربوط به هر يك از سي‌ونُه آواي موجود در زبان انگليسي هستند. بدين‌ترتيب سيستم خواهد توانست سيگنال‌هاي مغز بيمار را به كلمات تبديل كند. به گفته كندي، ايجاد امكان ارتباط با محيط با استفاده از روش كاشت الكترود براي هر بيمار، هزينه‌اي در حدود دويست و پنجاه هزار دلار خواهد داشت.
تداخل رابط‌ها
تحقيقات بيشتر موجب پيشرفت فناوري BCI گرديده است. هرچند اين سيستم جهت فراگير شدن، با موانع متعددي روبه‌رو است. اول از همه اين‌كه، اين فناوري به قدري جديد است كه محققان هنوز در حال ياد گرفتن نحوه صحيح و مؤثر پياده‌سازي و سازگاري آن با بيماران مختلف هستند؛ زيرا هر كس نيازها و خصوصيات فيزيكي متفاوت و منحصر به‌فردي دارد.
تا زماني‌كه سيستم‌هاي BCI به طور گسترده به صورت تجاري درنيامده‌اند، به خاطر استفاده از فناوري‌هاي پيچيده و منحصربه‌فرد، بسيار گرانقيمت خواهند بود. همچنين اين سيستم‌ها از نظر اندازه فيزيكي بسيار بزرگ و حجيمند و اين امر استفاده عمومي آن‌ها را در بسياري از موارد ناممكن و غيرعملي مي‌سازد.
سيستم‌هاي BCI براي سازگاري با هرگونه استفاده بايد بيش از وضعيت فعلي، خودكار شوند. استفاده از اين سيستم‌ها درحال حاضر پيچيده و تفسير نتايج خروجي آنان كاري مشكل است. به همين خاطر، تنها افراد متخصص توانايي كار با اين سيستم‌ها را دارند.
علاوه بر آن و به گفته Shhenoy، از دانشگاه استنفورد، متخصصان فني نيز بايد براي راه‌اندازي دستگاه كارهاي گوناگوني را انجام دهند. مهم‌ترين اين موارد شامل اتصال فيش‌هاي الكترودها، وارد ساختن پارامترهاي مورد نياز براي پردازش سيگنال، و تنظيم پردازش به منظور هماهنگ ساختن آن با تغييرات سيگنال‌هاي عصبي هستند.
افزون بر اين، كاربران نيز بايد بياموزند در استفاده از يك سيستم BCI و براي گرفتن نتيجه دلخواه خود، چگونه از افكار خويش بهره بگيرند. اين فرايند ممكن است هفته‌ها يا ماه‌ها به طول بينجامد. تمام اين موارد بيان مي‌كنند كه براي پذيرش گسترده سيستم‌هاي BCI، راه سخت و دشواري در پيش است؛ زيرا به گفته Berger، از USC، هنگامي كه زمان فرايند به طول بينجامد و بيماران در استفاده از دستگاه ناموفق عمل كنند، صبر و تحمل خود را از دست خواهند داد.
مانع ديگر، آن‌گونه كه Surgenor مي‌گويد، اين‌است كه روند تجاري سيستم‌هاي BCI به اندازه‌اي جديد است كه بسياري از شركت‌ها زمان و سرمايه لازم را براي توسعه مؤثر محصولات صرف نمي‌نمايند.
دقت سيگنال
مطلب ديگر درباره فناوري BCI (به ويژه روش‌هاي غيرمخرب) ميزان دقت در ثبت سيگنال‌هاي مغزي است. اين موضوع به ويژه زماني كه مواردي همچون تعيين جهت حركت بازوي بيمار مطرح هستند، اهميت بيشتري پيدا مي‌كند.
Berger مي‌گويد: «اخذ نتايج مطمئن و اطلاعات معتبر از سنسورهايي كه مستقيماً با مغز در تماس نيستند، كار دشواري است.» به گفته وي در اينجا بحث تضعيف سيگنال مطرح است: زيرا اين سيگنال‌ها بايد مسافتي را از عصب تا سنسور بپيمايند.
به علاوه، وي اشاره مي‌كند كه يك سيستم BCI بايد سيگنال‌ها را از يك دسته عصب مشخص بخواند كه با افكار كاربر در ارتباطند، اما زماني كه سنسورها در خارج از جمجمه جاي دارند، ممكن است سيگنال‌ها از عصب‌هايي خوانده شوند كه مربوط به ناحيه ديگري هستند.
كارايي الكترودها
سيستم‌هاي BCI مخرب ممكن است با الكترودهاي خود دچار مشكل شوند. برگر اشاره مي‌كند كه مغز اشياي بيگانه را تشخيص مي‌دهد و سعي مي‌كند آن‌ها را از خود براند. وقتي مغز با مشكل اشياي بيگانه روبه‌رو مي‌شود، ياخته‌هاي مغزي با سرعت زياد شروع به ازدياد مي‌كنند و از ديگر نقاط مغز به سمت ناحيه آلوده هجوم مي‌آورند. براي مثال، چنانچه يكي از عروق خوني موجود در داخل مغز پاره شود، ياخته‌ها به سمت محل مورد نظر حركت مي‌كنند تا رگ‌هاي آسيب‌ديده را ايزوله كنند.
با اين مقدمه برگر توضيح مي‌دهد زماني كه يك جراح الكترودي را در مغز جاي مي‌دهد، ياخته‌هاي مغزي مي‌كوشند الكترود را محاصره نمايند. اين‌كار موجب مي‌شود سيگنال‌هاي ارسالي از سوي اين الكترودها تضعيف شوند و كارايي سيستم كاهش بيابد. وي همچنين مي‌افزايد: تحريك شدن مغز مي‌تواند به محدود شدن اثربخشي سيستم منجر گردد.
عكس‌العمل مغز به كارگذاري الكترودها بخش مهم و حساس تحقيق است. تلاش‌هاي كنوني بر ساخت تركيب آمينواسيدهايي متمركز است كه سطوح خارجي اعصاب و پوشش الكترودها با آن‌ها پوشيده داده مي‌شوند تا سيستم دفاعي بدن را به اشتباه بيندازد تا الكترودها را همانند ديگر سلول‌هاي عادي بپذيرد.
پوشاندن الكترودها با داروهايي همچون Rapamyacin مي‌تواند عكس‌العمل دفاعي مغز را خنثي كند. برگر مي‌گويد: از اين تكنيك در اعمال جراحي ديگري همچون بازگشايي عروق قلب با استفاده از بالن استفاده مي‌شود.
جمع‌بندي
خلاصه اين‌كه، BCI قادر است به افراد ناتوان كمك كند تا رايانه، اعضاي مصنوعي، صندلي چرخدار يا ديگر سيستم‌هاي كمكي را كنترل نمايند.
در طول اين مدت محققان اميدوارند به ساخت سيستم‌هاي BCIاي نائل شوند كه با بالاترين دقت، بيشترين سرعت و كمترين آثار جانبي، اقدام به تفسير و توليد اعمال پيچيده بنمايند.
Kamitani، از شركت ATR، مي‌گويد: «هرچه اين دستگاه‌ها از لحاظ حجم و اندازه كوچك‌تر شوند، بيشتر مي‌توان از آن‌ها در فعاليت‌هاي روزمره مانند به كارگيري صفحه‌كليد و تلفن، استفاده نمود. در آينده نزديك سيستم‌هاي BCIخواهند توانست روبات‌هاي پيچيده يا حسگرهاي الكتريكي كه مستقيماً درون ماهيچه جاي داده شده‌اند را كنترل نمايند و به بيماران فلج يا مجروح كمك كنند اعضاي بدن خود را به حركت دربياورند.»
برگر مي‌گويد: «اين سيستم‌ها همچنين قادر خواهند بود با شناسايي زمان وقوع overload و ارائه بازخورد مناسب براي حل آسان‌تر مشكل، به خلبانان و رانندگان كمك نمايند.»
سازندگان خودرو مي‌توانند با تعبيه يك سيستم BCI در داخل پشت سر صندلي، فعاليت‌هاي مغز راننده را مانيتور نمايند و هنگامي كه راننده دچار خواب آلودگي مي‌شود، با علايم صوتي به او هشدار دهد.
برگر همچنين اشاره مي‌كند كه صنعت ساخت بازي‌هاي رايانه‌اي به ويژه در اروپا به پتانسيل‌هاي نهفته در فناوري BCI علاقمند گرديده‌اند. اين پتانسيل‌ها به كاربران اجازه خواهد داد سيستم خود را به آساني تنظيم و كنترل نمايند. محققان دانشگاه فناوري zGra در حال آزمايش سيستم مجازي‌سازي پيچيده‌اي هستند كه به مردم كمك خواهد كرد با استفاده از فناوري‌هاي مبتني بر BCI براي گذشت از محيط‌هاي چندگانه و مركب تنها از افكار خود بهره بگيرند.
Vidal، از دانشگاه كاليفورنيا در لس‌آنجلس، مي‌گويد: «سرانجام سيستم‌هاي محاسباتي مجهز به توابع مغزي كه اين روزها رشد فزاينده‌اي نيز از خود نشان مي‌دهند، استفاده كاربردي خواهند يافت و مطمئناً بسياري از آنان در حوزه‌هايي به كار گرفته مي‌شوند كه كاملاً غيرمنتظره و غافلگيركننده خواهد بود.»
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg ترجمه: هومن تحويلداري
ماهنامه شبکه - تير ۱۳۸۶ شماره 77
اشاره :
سال‌هاست كه محققان در مورد شاخه‌اي از پيوند انسان و ماشين مطالعه مي‌نمايند كه هيچ ارتباطي با داستان‌هاي علمي-تخيلي ندارد؛ موضوعي با نام Brain-Computer interface يا رابط مغز - كامپيوتري. BCIها با خواندن سيگنال‌هاي الكتريكي يا ديگر علائم مغزي و تبديل كردن آن‌ها به اطلاعات ديجيتال، اين اطلاعات را به گونه‌اي براي كامپيوتر، قابل درك، تفسير و پردازش مي‌نمايند تا با استفاده از آن‌ها بتوان اعمالي مانند به حركت درآوردن مكان‌نما يا روشن كردن تلويزيون را انجام داد.
منبع: IEEE Computer
امروزه بسياري از محققان صنعتي و دانشگاهي جهت تجاري ساختن اين فناوري تلاش مي‌كنند و در همين راستا پروژه‌هاي فراواني با هدف دستيابي به نوآوري‌هاي جديد در زمينه BCI در سرتاسر جهان در جريان هستند. عمده اهداف اين پروژه‌ها دستيابي به محصولات و سرويس‌هاي متنوع و كاربردي در آينده‌اي نه‌چندان دور است.
اين فناوري‌ها براي افرادي كه به دليل آسيب‌ديدگي‌هاي نخاعي يا ناتوانايي‌هايي همچون بيماري تصلب و تحليل عضلات (ALS) يا اختلالات مغزي قادر به استفاده عادي از دست‌ها و بازوهاي خود نيستند، نويدبخش خبرهاي خوشحال‌كننده‌اي خواهد بود.
استفاده از BCI حتي براي فعاليت‌هاي تحقيقاتي نيز فوايدي به همراه خواهد داشت. ايده‌هايي مطرح گرديده‌اند كه مي‌توانند نقطه شروعي براي رسيدن به تكنيك‌هايي همچون تأييد هويت بيومتريك و ديگر موارد امنيتي با استفاده از امواج مغزي باشند.
نحوه عكس‌العمل مغز كاربر به برخي از محرك‌ها مي‌تواند تعيين‌كند كه آيا براي مثال، شخص اجازه ورود به يك ساختمان يا استفاده از يك رايانه را دارد يا خير.
به همين خاطر، BCI به‌عنوان حركتي كه مي‌تواند موجب افزايش بازدهي در بازار شود، توجه‌ها را به خود جلب نموده است. البته تا فراگير شدن و استفاده گسترده از اين فناوري راه درازي در پيش است و اكنون نيز با مشكلاتي همچون عدم پذيرش از سوي كاربران و دقت پايين سيگنال روبه‌رو است.
پيشينه BCI
پژوهش‌ها در زمينه BCI بسيار وسيع است و شاخه‌هايي همچون نانوفناوري، زيست‌فناوري، فناوري اطلاعات، علوم روانشناختي، علوم كامپيوتري، مهندسي بيومديكال، عصب‌شناسي و رياضيات كاربردي، را در بر مي‌گيرد.
تاريخچه
دانشمندان از اوايل دهه 1970 ميلادي فعاليت‌هاي خود در زمينه BCI را آغاز نمودند. در آن زمان Jacques Vidal، پروفسور بازنشسته دانشگاه كاليفورنيا، هدايت پروژه «رابط مغز-كامپيوتر» را با پشتيباني دانشگاه در دست گرفت. در طول اين مدت، محققان با نصب حسگرهاي ساده BCI در بدن موش‌ها، ميمون‌ها و انسان آزمايش‌هايي را در اين زمينه انجام دادند.
در اواخر دهه 1990 ميلادي محققان انستيتو فناوري جورجيا، با همكاري دانشگاه Emory، با نصب يك الكترود در غشاي پوستي مغز يك بيمار كه به علت عارضه فلج ناحيه زير گردن قدرت تكلم خود را از دست داده بود، پتانسيل‌هاي درماني BCI را به نمايش گذاشتند. تكنيك به كار رفته در آن عمل، بيمار را قادر ساخت با برقراري ارتباط با كامپيوتر، مكان‌نما را به حركت در بياورد.
در سال 1999 اساتيد دانشكده پزشكي MCP Hahnemann، با همكاري پژوهشگران دانشگاه پزشكي Dukeموش‌هايي را تربيت كردند كه با استفاده از سيگنال‌هاي مغزي خود، يك شير آب برقي را به حركت در مي‌آوردند.
رويكردهاي هجومي و غيرهجومي
دو روش عمده در مبحث BCI وجود دارد: تكنيك‌هاي هجومي (Invasive) كه بر اساس آن الكترودها را مستقيماً در داخل مغز بيمار قرار مي‌دهند و تكنيك‌هاي غيرهجومي (noninvasive) كه در آن‌ها ابزارهاي اسكن يا سنسورهايي روي كلاه يا نوار نصب مي‌شود و با نصب روي سر بيمار سيگنال‌هاي مغزي را مي‌خوانند.
http://pnu-club.com/imported/2009/09/1155.jpg
بنا بر نظر پروفسور تئودور برگر، استاد دانشگاه كاليفورنياي جنوبي و استاد بخش مطالعات رابط مغز-كامپيوتر در مركز سنجش فناوري جهاني، هر دو روش اشكالاتي دارند.
مسلماً روش‌هاي غيرهجومي آسيب كمتري به بدن وارد مي‌كنند، اما در مقابل، خواندن سيگنال‌هاي مغز با استفاده اين روش‌ها كارايي پايين‌تري نسبت به روش‌هاي هجومي دارند؛ زيرا در اين حالت الكترودها دقيقاً روي بخش مورد نظر مغز قرار نمي‌گيرند.
در عوض، تكنيك‌هاي هجومي نيازمند انجام عمل جراحي هستند كه اين خود خطر آسيب يا عفونت مغز بيمار را به دنبال دارد.
برگر خاطر نشان مي‌سازد در روش‌هاي غيرهجومي، توانايي نصب الكترودها روي تمام قسمت‌هاي مغز، امكان شناسايي محدوده وسيع‌تري از فعاليت‌هاي مغزي را فراهم مي‌آورد. اين امكان مي‌تواند بسيار سودمند باشد؛ زيرا سلول‌هايي كه حركات مركب و چندگانه بخش‌هاي مختلف بدن را تحت كنترل دارند، در نقاط متفاوتي از مغز قرار گرفته‌اند.
وي مي‌افزايد: «پردازش و توليد حجم عظيمي از اطلاعات توسط نرون‌ها (سلول‌هاي عصبي) آن هم در وضعيتي كه منبع اين اطلاعات در چند نقطه متفاوت از مغز قرار دارد، براي سيستم‌هايBCI كار دشواري خواهد بود.»
دستاوردهاي جديد BCI
شركت‌ها و دانشگاه‌هاي متعددي در حال انجام تحقيقات بسيار مهمي روي شاخه‌هاي گوناگوني از BCI هستند. براي مثال و به گفته ller-Putz Gernot M، فوق دكترا و محقق و مدرس دانشگاه zGra، دانشمندان لابراتوار BCI اين دانشگاه در حال تحقيق روي روشي هستند كه به بيماران كمك مي‌كند با استفاده از BCI بتوانند بر پروتزها و اندام مصنوعي خود كنترل داشته باشند.
شركت NeuroSky نيز در حال كار روي نوعي برنامه بر پايه BCI است. Johnny Liu، سخنگوي اين شركت، مي‌گويد: «اين برنامه مخصوص مراكزي طراحي شده است كه خدمات بهداشتي و پزشكي ارائه مي‌نمايند.»
وي مي‌افزايد: «موارد استفاده از اين برنامه شامل درمان بيماري‌هاي نارسايي ADD و همچنين استفاده در حوزه سرگرمي‌ها شامل بازي‌هاي ويديويي و اسباب بازي است.»
فعاليت‌هاي سايبرسينتيك در دانشگاه براون: روش جديد تهاجمي
با استفاده از سيستم‌هاي سايبرسينتيك عصبي، دستگاه جديدي به نام «سيستم رابط عصبي دروازه مغز» ابداع گرديده است. اين سيستم كه كاربري آن در موارد پزشكي است، به گونه‌اي طراحي گرديده كه بيماراني با آسيب‌هاي نخاعي يا ديگر انواع اختلالات كنترلي، با استفاده از آن خواهند توانست با استفاده از افكار خود كامپيوتر را كنترل نمايند.
روش «دروازه مغزي» بر پايه تحقيقات پروفسور John Donoghue، بنيانگذار مبحث سايبرسينتيك و دانشمند ارشد دانشگاه براون، ابداع گرديد. تحقيقات پروفسور Donoghue با تمركز بر نحوه تفكر مغز انسان، در جست‌وجوي راهي بود كه مغز افكار را به سيگنال تبديل مي‌كند.
اين سيگنال‌ها انجام اعمالي همچون به حركت درآوردن بازو را ممكن مي‌سازند. وي با طرح يك مثال توضيح داد زماني كه فردي بخواهد بازويش را حركت دهد، ميليون‌ها سلول عصبي اقدام به ارسال پالس‌هايي در الگوهاي پيچيده مي‌نمايند.
در اواخر دهه 1990 ميلادي محققان انستيتو فناوري جورجيا، با همکاري دانشگاه Emory، با نصب يک الکترود در غشاي پوستي مغز يک بيمار که به علت عارضه فلج ناحيه زير گردن قدرت تکلم خود را از دست داده بود، پتانسيل‌هاي درماني BCI را به نمايش گذاشتند.
اين پالس‌ها توسط تيره نخاعي كه در مركز ستون فقرات قرار دارد دريافت و تبديل به سيگنال‌هايي مي‌شوند كه توانايي كنترل عضلات را دارند.
با استفاده از تكنيك‌هايي همچون آرايه‌اي از الكترودهاي چندگانه و تصويربرداري مغناطيسي تشديدي (functional Magnetic Resonance Imaging: fMRI)، تيم تحقيقاتي Donoghue با ثبت سيگنال‌هاي مغزي يك بيمار، استفاده از پردازنده‌هاي سيگنال ديجيتالي (DSP) و همچنين به كارگيري الگوريتم‌هاي مناسب، اين سيگنال‌ها را به فرمتي تبديل كردند كه براي كامپيوتر قابل استفاده و پردازش مي‌باشند.
براي اين‌كار بيمار ابتدا در يك دستگاه اسكنر MRI قرار داده شود. اسكنر با ايجاد يك ميدان مغناطيسي و استفاده از سيگنال‌هاي راديويي، به ثبت نحوه حركت و گردش خون در مغز مي‌پردازد. اين مبحث يعني مطالعه نيروهاي مؤثر در جريان خون كه شاخه‌اي از فيزيولوژي محسوب مي‌شود را با نام همودايناميك (hemodynamic) مي‌شناسند. براي اين‌كار، چگونگي عكس‌العمل و تغيير گردش خون در زماني كه بيمار براي مثال به تكان دادن اندام مصنوعي يا به حركت درآوردن مكان نماي كامپيوتر اقدام مي‌نمايد، مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
تغييرات همودايناميك اين موارد را در برمي‌گيرد: افزايش جريان خون و بالا رفتن ميزان ارسال هموگلوبين به سلول‌هاي عصبي كه دخالت فعالانه دارند.
http://pnu-club.com/imported/2009/09/1156.jpg
شکل 1- شرکت Honda Motor Corp موفق به ساخت يک سيستم BCI گرديده است که مي‌تواند دست روباتيکي را حرکت دهد. زماني که فرد در داخل دستگاه MRI دست يا انگشتان خود را حرکت مي‌دهد، اسکنر MRI با تشخيص سيگنال‌هاي مغزي مرتبط با اين حرکت و پردازش آن‌ها، با استفاده از يک نرم‌افزار رابط، فراميني را به دست مصنوعي ارسال مي‌کنند تا مشابه آن حرکات را انجام دهد.
در يك تحقيقات باليني، سايبرسينتيك با استفاده از سيستم دروازه مغزي (BrainGate) به يك بيمار داوطلب كه از گردن به پايين دچار فلج گرديده كمك نمود فعاليت‌هايي همچون بازي رايانه‌اي يا استفاده از كنترل از راه دور تلويزيون را انجام دهد.
يك آرايه از ميكروالكترودها از طريق جراحي در غشاي مغزي بيمار قرار داده شد. محل كاشت الكترودها در ناحيه قدامي دو نيمكره مُخ و در پيشاني واقع است.
اين ناحيه در حقيقت با ارسال سيگنال به تيره نخاعي و از آنجا به ديگر اعضاي بدن، به حركت دادن بدن يا اشياي كمك مي‌نمايد.
اين آرايه به صورت مربعي با اضلاعي به طول چهار ميلي‌متر، به يكصد عدد ميكروالكترود سيليكوني مجهز است.
وظيفه اين الكترودها حس كردن و ارسال پالس‌هاي الكتريكي از طريق سلول‌هاي عصبي چندگانه است. با تمركز افكار بيمار حول انجام يك عمل (مانند حركت دادن يك شيء)، پالس‌هاي قوي و جريانات الكتريكي شديدي توسط سلول‌هاي عصبي ايجاد مي‌گردد.
سپس اين سيگنال‌ها به يك كانكتورِ تيتانيوميِ متصل به جمجمه انتقال مي‌يابند و از آنجا و از طريق يك رشته فيبرنوري به آمپلي‌فايري كه وظيفه تقويت امواج را بر عهده دارد، ارسال مي‌گردند. خروجي اين آمپلي‌فاير به يك دستگاه كامپيوتر متصل است و در آنجا سيگنال‌ها در خروجي به فرمت‌هاي دلخواه تبديل مي‌گردند.
BrainGate يا دروازه مغزي در دو آزمايش باليني ديگر نيز به كار گرفته شده است: يكي با هدف بازگشت تواناييِ به حركت درآوردن اعضاي بدن در بيماراني كه دچار آسيب نخاعي، ضربه مغزي يا تحليل عضلاني گرديده‌اند و ديگري برقراري ارتباط براي بيماراني كه از ناتواني‌هاي ناشي از آسيب‌هاي عصبي مانند بيماري ALS رنج مي‌كشند. شركت NeuroSky انتظار دارد سيستم نهايي را تا سال 2008 يا 2009 به صورت تجاري وارد بازار نمايد.
به گفته Timothe Surgenor، مديرعامل اين شركت، نهايتاً اين اميد وجود دارد كه سايبرسينتيك با تكميل سيستم بتواند امواج مغزي را به صورت بي‌سيم به آمپلي‌فاير و از آنجا به رايانه منتقل نمايد تا بدين وسيله نياز به كانكتور و كابل از بين برود.
مركز Wadsworth؛ تلاشي ديگر از نوع غيرمخرب
مركز بهداشت عمومي Wadsworth واقع در نيويورك كه به يك آزمايشگاه مجهز است، نوع ديگري از يك روش غيرمخرب را ابداع نموده است. در اين روش با استفاده از يك دستگاه موج‌نگار مغزي (Electro Encephalo Gram:EEG) كه به صورت يك كلاه روي سر بيمار قرار مي‌گيرد، امواج مغزي از طريق ثبت فعاليت‌هاي الكتريكي سلول‌هاي عصبي مغز دريافت مي‌گردند.
تيم تحقيقاتي اين مركز با رهبري Jonathan Wolpaw، مدير بخش اختلالات سيستم عصبي آزمايشگاه Wadsworth و استاد دانشگاه آلباني، دستگاه تحقيقاتي BCI2000 را ابداع نمودند. در اين دستگاه، يك ثبت‌كننده EEG مجهز به دويست الكترود، با استفاده از نوعي چسب خميرمانند كه قابليت رسانايي بالايي دارد، به صورت كلاه روي جمجمه بيمار قرار داده مي‌شود و به اين شكل سيگنال‌هايي كه سلول‌هاي عصبي ارسال كنند را ثبت مي‌نمايد.
اين سيستم از يك آمپلي‌فاير شانزده كاناليِ مخصوص تقويت علايم حياتي (Biosignal)، براي تقويت امواج دريافت شده استفاده مي‌كند. پس از آن بخش پردازنده سيگنال ديجيتالي (DSP) با بررسي و اندازه‌گيري سيگنال‌ها، اطلاعات آن‌ها را با استفاده از يك ديجيتايزر به فرمت ديجيتال و مناسب براي استفاده و پردازش در رايانه آماده مي‌نمايد. به گفته Wolpaw براي بالا بردن كارايي دستگاه، اعضاي تيم تحقيق به بيماران مي‌آموختند كه چه تمرين‌هايي را انجام بدهند تا بيشترين كنترل را بر امواج مغزي خود داشته باشند.
يكي از برنامه‌هاي Wadsworth، ساخت دستگاهي است به نام P300 كه به كمك افرادي ميآيد كه مشكل ناتواني در تكلم دارند. اين دستگاه بلافاصله پس از تجربه يك محرك حسيِ غيرمنتظره و قوي از سوي بيمار، با ارسال يك پالس ولتاژ مثبت كه روي موج نگار EEG به صورت يك موج رو به بالا ثبت خواهد شد، عكس‌العمل نشان مي‌دهد. اين امواج مغزي حاوي هيچ‌گونه اطلاعاتي نيستند، اما در عوض سيستم Wadsworth را قادر مي‌سازند تمايل بيمار براي برقراري يك ارتباط (به هر شكل ممكن) را بازگو كند.
براي بيمار مجموعه‌اي از حروف و اشكال به صورت تصادفي نمايش داده مي‌شود و هنگامي كه نوبت نمايش عكس يا حرف مورد نظر مي‌رسد، دستگاه موج‌نگار مغزي P300 يك ولتاژ ارسال مي‌كند. پس از آن و در مرحله بعدي، BCI2000 اين ولتاژ را دريافت مي‌كند و عكس يا حرف مورد نظر را علامت‌گذاري مي‌نمايد.
اين فرآيند در حال حاضر كُند است؛ با سرعت دو تا چهار حرف در دقيقه. Wolpaw دليل اين امر را نيازمندي سيستم به زمان كافي براي جمع‌آوري سيگنال‌ها از نواحي مختلف مغز، جداسازي سيگنال‌هايي كه از عصب‌هاي مناسب آمده‌اند، و در انتها ترجمه مناسب اين سيگنال‌ها به اعمال مورد نظر بيمار، ذكر مي‌كند. وي مي‌افزايد: «محققان در تلا‌شند با طراحي روش‌هاي مناسب‌تر براي آناليز سيگنال‌ها، سرعت سيستم را بهبود ببخشند.»
Wolpaw در انتها يادآوري مي‌كند كه اين گروه در نظر دارد با تأسيس يك مؤسسه غيرانتفاعي، امكان دسترسي افراد نيازمند را به اين سيستم آسان‌تر سازد.
هوندا؛ فناوري MRI
شركت ژاپني هوندا اخيراً با همكاري آزمايشگاه‌هاي علوم عصبي ATR و در اجراي يك پروژه مشترك با استفاده از امواج مغزي حركات ساده يك روبات را كنترل نمودند.
مطابق توضيحات Yukiyasu Kamitani، يكي از محققان ATR، شركت‌كنندگان در آزمايش در داخل يك اسكنر MRI قرار داده شدند و از آنان خواسته شد در همان حال دست‌ها و انگشتان خود را در جهات مشخصي حركت دهند.
مشابه آنچه كه در سيستم سايبرسينتيك ديديم، اسكنر هوندا نيز علايم مغزي فرد آزمايش شونده را ثبت مي‌كند. پس از آن سيستم سيگنال‌هاي MRI را از طريق كابل‌هاي شبكه و با استفاده از پروتكل TCP/IP به يك دستگاه كامپيوتر ارسال مي‌كند. اين اطلاعات در داخل كامپيوتر پردازش مي‌شوند و سپس با استفاده از يك نرم‌افزار ويژه، دستورات لازم براي به حركت درآمدن دست روباتيك صادر مي‌گردند.
همان‌طور كه در شكل 1 نشان داده شده است، چنانچه فرد در داخل اسكنر دست خود را مشت كند يا اقدام به باز كردن انگشتان دست خود بنمايد، دست مصنوعي نيز دقيقاً همان حركات را انجام خواهد داد.
آن‌گونه كه Sachi Ito، سخنگوي شركت هوندا، مي‌گويد، اين شركت در خلال دهه آينده با بهره بردن از نتايج اين تحقيقات اقدام به بهبود روبات محبوب اين شركت يعني Asimo خواهد نمود تا بتواند در آينده به طور وسيعي از اين روبات در اهداف مرتبط با روابط عمومي و همچنين فعاليت‌هاي تبليغاتي استفاده نمايد.
در آينده دور ممكن است اين فناوري سبب ايجاد ابداعاتي در زمينه ايمني گردد. Kamitani به مثالي اشاره مي‌كند كه در آن سيستم با درك قصد و هدف راننده (مانند جهتي كه راننده مي‌خواهد به آن سمت تغيير مسير دهد) و تبديل آن به اطلاعات مناسب، اين اطلاعات را با ديگر رانندگان و همين‌طور عابران پياده به اشتراك بگذارد. وي همچنين اشاره مي‌كند كه در حال حاضر قابل‌حمل‌بودن اين سيستم‌ها مسئله مهمي است؛ زيرا دستگاه‌هاي MRI وزني بالغ بر چندين تن دارند.
دانشگاه استنفورد؛ برنامه‌ريزي براي تشخيص حركت
هدف از تحقيقات BCI در دانشگاه استنفورد، تشخيص سيگنال‌هايي است كه مغز هنگام تصميم براي حركت دادن بدن به سمتي مشخص ايجاد مي‌نمايد.
«هرگاه ما بدن خود را حركت مي‌دهيم، ابتدا و پيش از هر چيز براي انجام آن حركت تصميم مي‌گيريم.» اين سخن پروفسور Krishna shenoy، استاديار دانشگاه استنفورد و مدير آزمايشگاه سيستم‌هاي عصبي مصنوعي اين دانشگاه، است.
وي در ادامه مي‌گويد: «فهم برنامه‌ريزي و نحوه عملكرد فعاليت‌هاي عصبي، اهميت فوق‌العاده‌اي در بحث اندام‌هاي مصنوعي دارند؛ زيرا اين موضوع به شما خواهد گفت كه براي مثال، حركت دست در چه نقطه‌اي بايد پايان پذيرد و اين حتي پيش از لحظه‌اي است كه شما حتي حركت را شروع كرده باشيد.»
Shenoy خاطر نشان مي‌كند: «اطلاعاتي كه از مطالعه نحوه برنامه‌ريزي مغز انسان به دست ميآيد، به شكلي مؤثر موجب پيشرفت در برآوردهاي رياضي قضيه خواهند شد. كاربرد اين برآوردها در تخمين نحوه حركت بازو و افزايش بازدهي سيستم از طريق بالا بردن سرعت و دقت دستگاه است.»
به همين دليل، تيم تحقيقاتي بررسي‌هاي خود را معطوف نحوه برنامه‌ريزي سلول‌هاي عصبي مغز براي به حركت درآوردن بازو نموده‌اند.
گروه Shenoy اميدوار است نتايج اين تحقيقات به ساخت اندام‌هاي مصنوعي مؤثرتر و طراحي سيستم‌هايي منجر گردند كه كاربران با استفاده از آن قادر باشند كنترل دستگاه‌هاي مختلف را در دست بگيرند.
دانشگاه كلمبيا؛ جست‌وجوي تصويري
دانشمندان آزمايشگاه محاسبات عصبي و تصويربرداري هوشمند دانشگاه كلمبيا (LIINC) در حال طراحي يك سيستم BCI هستند كه قادر خواهد بود با سرعتي بالاتر از سرعت انسان و حتي كامپيوتر، تصاوير را جست‌وجو نمايد.
اين تحقيق كه سرمايه آن به صورت فدرالي تأمين گرديده قادر است با جست‌وجوهاي سريع در بين تصاوير ويديويي، در يافتن مجرمان، خرابكاران و ديگر فعاليت‌هاي مشكوك به مجريان قانون كمك كند.
مطابق توضيحات مدير آزمايشگاه LIINC، پروفسور Paul Sajda، سيستم C3Vision يا Cortically Coupled Computer Vision، با بهره‌گيري از قابليت‌هاي مغز انسان قادر است عناصر جديد، غيرعادي، جالب توجه يا نادر را در ميان انبوهي از تصاوير و با سرعتي بسيار بالاتر از آنچه انسان قادر به شناسايي آن‌ها باشد، تشخيص دهد.
http://pnu-club.com/imported/2009/09/1157.jpg
شکل 2- در سيستم بيومتريک پيشنهادي دانشگاه کارلتون که مبتني بر BCI است، آزمايش‌شوندگان از افکار مشخصي به‌عنوان کلمه عبور (که در اينجا از آن با نام افکار عبور «pass-thoughts» ياد مي‌شود) استفاده مي‌کنند. زماني که فردي قصد دسترسي به يک سيستم يا يک ساختمان حفاظت شده را دارد، براي انجام عمليات احراز کافي است به کلمه عبور ذهني مورد نظر فکر کند. در اين حال قطعه سربندي که به تعدادي الکترود مجهز است، سيگنال‌هاي مغزي را ثبت مي‌نمايد. پس از آن سيستم با استخراج مشخصه‌هاي سيگنال مزبور، اطلاعات به دست آمده را براي پردازش به يک دستگاه رايانه ارسال مي‌کند. اين اطلاعات شامل هويت خصيصه‌هاي فرعي است که دقيقاً با اطلاعات مربوط به کلمه عبور ذهني مطابقت داشته باشند. در انتها سيستم بيومتريک موجود به مقايسه خصيصه‌هاي فرعي با آنچه که پيش از آن براي هر يک از کاربران مجاز ذخيره شده است، اقدام خواهد نمود.
سيستم C3Vision تصاوير را با سرعت بسيار بالا براي افراد مايل به بالا بردن توانايي‌هاي خود در فعاليت‌هاي گوناگون نمايش مي‌دهد.
براي مثال، افسران پليس مي‌توانند از اين سيستم جهت كشف فعاليت‌هاي مجرمانه استفاده كنند يا راديولوژيست‌‌ها از آن براي تشخيص اختلالات فيزيولوژيكي در عكس‌ها مانند تصاوير ماموگرافي بهره ببرند.
كاربر دستگاه يك كلاه EEG را بر سر مي‌گذارد. اين كلاه وظيفه اندازه‌گيري سيگنال‌هاي الكتريكي گروه‌هاي عصبي را بر عهده دارد كه در نقاط مختلف مغز واقع هستند.
بنا به گفته Sajda، سيستم C3Vision از اين اطلاعات براي شناسايي صحنه‌هايي استفاده خواهد كرد كه از ديد كاربر صحنه‌هايي خاص و ويژه محسوب مي‌شوند. در ادامه سيستم با در نظر گرفتن شدت و ضعف سيگنال دريافتي از مغز فرد مشاهده‌كننده، اقدام به دسته‌بندي صحنه‌ها بر اساس اهميت آنان مي‌نمايد.
به گفته Sajda اين توانايي اهميت خاصي در بين سيستم‌هاي بصري رايانه‌اي دارد؛ زيرا محدوديت قدرت مغز انسان در شناسايي سريع اشياي مشاهده شده در موقعيت‌ها، حالت‌ها و محيط‌هاي متفاوت با استفاده از چنين سيستم‌هايي بسيار بهبود خواهد يافت.
دانشگاه فناوري هلسينكي؛ MEG
دانشمندان گروه تحقيقاتي آزمايشگاه علوم و فناوري مهندسي محاسباتي دانشگاه هلسينكي در فنلاند از يك سرپوش EEG براي ثبت امواج مغزي استفاده مي‌كنند تا به كاربر كمك كنند با فكر كردن به حركات دست، از يك صفحه كليد مجازي استفاده نمايد.
همچنين اين گروه تحقيق با مطالعه استفاده از مغزنگاري مغناطيسي (magnetoencephalography:MEG) به روشي دست يافتند كه بر اساس آن موفق شدند ميدان مغناطيسي ضعيفي كه از طريق فعاليت‌هاي الكتريكي مغز به وجود ميآيد را ثبت كنند.
براي تعيين اين‌كه كاربر چه قصد و منظوري دارد، سيستم‌هاي MEG اقدام به تفسير و ترجمه اين ميدان‌هاي مغناطيسي مي‌نمايند. روش كار در اينجا بسيار مشابه روش كار سيستم‌هاي EEG در تفسير سيگنال‌هاي الكتريكي خواهد بود.
محققان دانشگاه هلسينكي اظهار مي‌كنند كه دليل علاقمندي آنان به سيستم MEG، حساسيت بالا و دقت خوب اين دستگاه‌ها است.
در هر حال فاكتور قابليت حمل، موضوع مهمي خواهد بود؛ زيرا از آنجايي كه همانند اسكنرهاي MRI، كاربر (يا بيمار) براي به راه‌اندازي سيستم بايد در داخل دستگاه قرار گيرد، اين‌گونه دستگاه‌ها از اندازه‌هاي بزرگي برخوردار خواهند بود.
دانشگاه كارلتون؛ بيومتريك
دانشگاه كانادايي كارلتون در حال كار روي يك نوع ابزار تشخيص هويت است كه اساس كار آن بر مبناي سيستم BCI است. اين وسيله جايگزين خوبي براي انواع روش‌هاي سنتي و قديمي‌تر مانند اسكنرهاي اثر انگشت يا شبكيه چشم خواهد بود.
محققان دانشگاه كارلتون با بررسي نحوه عكس‌العمل مغز به محرك‌هاي محيطي مانند صدا يا تصوير به روشي دست يافتند كه از آن مي‌توان در جهت تأييد و تصديق هويت استفاده نمود. به گفته Julie Thorpe، دانشجوي دكتراي دانشگاه كارلتون، آزمايش‌ها نشان مي‌دهند كه امواج EEG مغز كه در پاسخ به محرك‌هاي محيطي ايجاد مي‌شوند در هر شخص منحصر به فرد بودند و از اين بابت داراي پتانسيل‌هاي بيومتريك هستند.
البته محققان اين دانشگاه تاكنون موفق به ساخت دستگاهي نشده‌اند كه بر اين اساس عمل نمايد، اما اساساً مي‌توان تصور نمود كه كاربر با پوشيدن يك كلاه مخصوص مجهز به تعداد زيادي الكترود، با فشار دادن يك دگمه يا كليد روي صفحه كليد، عمليات «احراز هويت بيومتريك» را آغاز مي‌كند و با فكر كردن به يك موضوع خاص كه به‌عنوان كلمه عبور يا (pass-thought) عمل مي‌نمايد، به سيستم دسترسي مي‌يابد و در انتها با فشار دادن كليدي ديگر، عمليات را خاتمه مي‌دهد.
پس از اين‌كار سيستم به ثبت و ذخيره سيگنال‌هايي مي‌پردازد كه مغز كاربر در هنگام فكر كردن به pass-thoughtايجاد نموده است و در انتها با استخراج كليه ويژگي‌هاي خاص اين سيگنال‌ها، اطلاعات را براي پردازش به رايانه انتقال مي‌دهد.
هنگامي كه كاربران مي‌خواهند به يك سيستم حفاظت شده دسترسي پيدا كنند، كافي است pass-thought خود را ايجاد كنند. سپس سيستم بيومتريك با استخراج و ثبت خصيصه‌هاي مربوطه و همان‌طور كه در شكل 2 نشان داده شده است، به مقايسه آنان با نمونه‌هاي ذخيره شده مربوط به كاربران مجاز مي‌پردازد.
برخلاف ديگر اقدامات انجام شده در زمينه ساخت سيستم‌هاي بيومتريك، سيستم دانشگاه كارلتون به كاربران اجازه مي‌دهد با تغيير در محرك‌ها، شناسه خود را نيز تغيير دهند.
سيگنال‌هاي عصبي؛ الكترودهاي بافت‌هاي عصبي
اخيراً و با استفاده از خواص سيگنال‌هاي عصبي پروژه‌اي راه‌اندازي شده كه موضوع آن ساخت دستگاه احياي قدرت تكلم يا «speech-restoration» است. اين دستگاه با كارگذاشتن الكترودهاي عصبي در ناحيه بروكاي مغز بيمار، به دريافت سيگنال‌هاي عصبي مي‌پردازد.
اين ناحيه از مغز كه وظيفه كنترل تكلم را برعهده دارد، در بخش پاييني ناحيه قدامي دو نيمكره واقع است. بنا به اظهارات Phil Kennedy، دانشمند ارشد پروژه، اين دستگاه سلول‌هاي عصبي را وادار مي‌سازد با چسبيدن به نوك الكترودهاي كارگذاشته شده در همان ناحيه، رشد كنند و بدين ترتيب و از طريق سيم‌هاي متصل شده، سيگنال‌هاي مغزي را براي ثبت و پردازش ارسال نمايند. وي در ادامه خاطر نشان كرد كه اتصال ميان رشته‌هاي عصبي و الكترودها موجب تداوم و پايداري سيگنال مي‌گردد.
محققان مشخص نموده‌اند كه كدام سيگنال‌هاي مغزي مربوط به هر يك از سي‌ونُه آواي موجود در زبان انگليسي هستند. بدين‌ترتيب سيستم خواهد توانست سيگنال‌هاي مغز بيمار را به كلمات تبديل كند. به گفته كندي، ايجاد امكان ارتباط با محيط با استفاده از روش كاشت الكترود براي هر بيمار، هزينه‌اي در حدود دويست و پنجاه هزار دلار خواهد داشت.
تداخل رابط‌ها
تحقيقات بيشتر موجب پيشرفت فناوري BCI گرديده است. هرچند اين سيستم جهت فراگير شدن، با موانع متعددي روبه‌رو است. اول از همه اين‌كه، اين فناوري به قدري جديد است كه محققان هنوز در حال ياد گرفتن نحوه صحيح و مؤثر پياده‌سازي و سازگاري آن با بيماران مختلف هستند؛ زيرا هر كس نيازها و خصوصيات فيزيكي متفاوت و منحصر به‌فردي دارد.
تا زماني‌كه سيستم‌هاي BCI به طور گسترده به صورت تجاري درنيامده‌اند، به خاطر استفاده از فناوري‌هاي پيچيده و منحصربه‌فرد، بسيار گرانقيمت خواهند بود. همچنين اين سيستم‌ها از نظر اندازه فيزيكي بسيار بزرگ و حجيمند و اين امر استفاده عمومي آن‌ها را در بسياري از موارد ناممكن و غيرعملي مي‌سازد.
سيستم‌هاي BCI براي سازگاري با هرگونه استفاده بايد بيش از وضعيت فعلي، خودكار شوند. استفاده از اين سيستم‌ها درحال حاضر پيچيده و تفسير نتايج خروجي آنان كاري مشكل است. به همين خاطر، تنها افراد متخصص توانايي كار با اين سيستم‌ها را دارند.
علاوه بر آن و به گفته Shhenoy، از دانشگاه استنفورد، متخصصان فني نيز بايد براي راه‌اندازي دستگاه كارهاي گوناگوني را انجام دهند. مهم‌ترين اين موارد شامل اتصال فيش‌هاي الكترودها، وارد ساختن پارامترهاي مورد نياز براي پردازش سيگنال، و تنظيم پردازش به منظور هماهنگ ساختن آن با تغييرات سيگنال‌هاي عصبي هستند.
افزون بر اين، كاربران نيز بايد بياموزند در استفاده از يك سيستم BCI و براي گرفتن نتيجه دلخواه خود، چگونه از افكار خويش بهره بگيرند. اين فرايند ممكن است هفته‌ها يا ماه‌ها به طول بينجامد. تمام اين موارد بيان مي‌كنند كه براي پذيرش گسترده سيستم‌هاي BCI، راه سخت و دشواري در پيش است؛ زيرا به گفته Berger، از USC، هنگامي كه زمان فرايند به طول بينجامد و بيماران در استفاده از دستگاه ناموفق عمل كنند، صبر و تحمل خود را از دست خواهند داد.
مانع ديگر، آن‌گونه كه Surgenor مي‌گويد، اين‌است كه روند تجاري سيستم‌هاي BCI به اندازه‌اي جديد است كه بسياري از شركت‌ها زمان و سرمايه لازم را براي توسعه مؤثر محصولات صرف نمي‌نمايند.
دقت سيگنال
مطلب ديگر درباره فناوري BCI (به ويژه روش‌هاي غيرمخرب) ميزان دقت در ثبت سيگنال‌هاي مغزي است. اين موضوع به ويژه زماني كه مواردي همچون تعيين جهت حركت بازوي بيمار مطرح هستند، اهميت بيشتري پيدا مي‌كند.
Berger مي‌گويد: «اخذ نتايج مطمئن و اطلاعات معتبر از سنسورهايي كه مستقيماً با مغز در تماس نيستند، كار دشواري است.» به گفته وي در اينجا بحث تضعيف سيگنال مطرح است: زيرا اين سيگنال‌ها بايد مسافتي را از عصب تا سنسور بپيمايند.
به علاوه، وي اشاره مي‌كند كه يك سيستم BCI بايد سيگنال‌ها را از يك دسته عصب مشخص بخواند كه با افكار كاربر در ارتباطند، اما زماني كه سنسورها در خارج از جمجمه جاي دارند، ممكن است سيگنال‌ها از عصب‌هايي خوانده شوند كه مربوط به ناحيه ديگري هستند.
كارايي الكترودها
سيستم‌هاي BCI مخرب ممكن است با الكترودهاي خود دچار مشكل شوند. برگر اشاره مي‌كند كه مغز اشياي بيگانه را تشخيص مي‌دهد و سعي مي‌كند آن‌ها را از خود براند. وقتي مغز با مشكل اشياي بيگانه روبه‌رو مي‌شود، ياخته‌هاي مغزي با سرعت زياد شروع به ازدياد مي‌كنند و از ديگر نقاط مغز به سمت ناحيه آلوده هجوم مي‌آورند. براي مثال، چنانچه يكي از عروق خوني موجود در داخل مغز پاره شود، ياخته‌ها به سمت محل مورد نظر حركت مي‌كنند تا رگ‌هاي آسيب‌ديده را ايزوله كنند.
با اين مقدمه برگر توضيح مي‌دهد زماني كه يك جراح الكترودي را در مغز جاي مي‌دهد، ياخته‌هاي مغزي مي‌كوشند الكترود را محاصره نمايند. اين‌كار موجب مي‌شود سيگنال‌هاي ارسالي از سوي اين الكترودها تضعيف شوند و كارايي سيستم كاهش بيابد. وي همچنين مي‌افزايد: تحريك شدن مغز مي‌تواند به محدود شدن اثربخشي سيستم منجر گردد.
عكس‌العمل مغز به كارگذاري الكترودها بخش مهم و حساس تحقيق است. تلاش‌هاي كنوني بر ساخت تركيب آمينواسيدهايي متمركز است كه سطوح خارجي اعصاب و پوشش الكترودها با آن‌ها پوشيده داده مي‌شوند تا سيستم دفاعي بدن را به اشتباه بيندازد تا الكترودها را همانند ديگر سلول‌هاي عادي بپذيرد.
پوشاندن الكترودها با داروهايي همچون Rapamyacin مي‌تواند عكس‌العمل دفاعي مغز را خنثي كند. برگر مي‌گويد: از اين تكنيك در اعمال جراحي ديگري همچون بازگشايي عروق قلب با استفاده از بالن استفاده مي‌شود.
جمع‌بندي
خلاصه اين‌كه، BCI قادر است به افراد ناتوان كمك كند تا رايانه، اعضاي مصنوعي، صندلي چرخدار يا ديگر سيستم‌هاي كمكي را كنترل نمايند.
در طول اين مدت محققان اميدوارند به ساخت سيستم‌هاي BCIاي نائل شوند كه با بالاترين دقت، بيشترين سرعت و كمترين آثار جانبي، اقدام به تفسير و توليد اعمال پيچيده بنمايند.
Kamitani، از شركت ATR، مي‌گويد: «هرچه اين دستگاه‌ها از لحاظ حجم و اندازه كوچك‌تر شوند، بيشتر مي‌توان از آن‌ها در فعاليت‌هاي روزمره مانند به كارگيري صفحه‌كليد و تلفن، استفاده نمود. در آينده نزديك سيستم‌هاي BCIخواهند توانست روبات‌هاي پيچيده يا حسگرهاي الكتريكي كه مستقيماً درون ماهيچه جاي داده شده‌اند را كنترل نمايند و به بيماران فلج يا مجروح كمك كنند اعضاي بدن خود را به حركت دربياورند.»
برگر مي‌گويد: «اين سيستم‌ها همچنين قادر خواهند بود با شناسايي زمان وقوع overload و ارائه بازخورد مناسب براي حل آسان‌تر مشكل، به خلبانان و رانندگان كمك نمايند.»
سازندگان خودرو مي‌توانند با تعبيه يك سيستم BCI در داخل پشت سر صندلي، فعاليت‌هاي مغز راننده را مانيتور نمايند و هنگامي كه راننده دچار خواب آلودگي مي‌شود، با علايم صوتي به او هشدار دهد.
برگر همچنين اشاره مي‌كند كه صنعت ساخت بازي‌هاي رايانه‌اي به ويژه در اروپا به پتانسيل‌هاي نهفته در فناوري BCI علاقمند گرديده‌اند. اين پتانسيل‌ها به كاربران اجازه خواهد داد سيستم خود را به آساني تنظيم و كنترل نمايند. محققان دانشگاه فناوري zGra در حال آزمايش سيستم مجازي‌سازي پيچيده‌اي هستند كه به مردم كمك خواهد كرد با استفاده از فناوري‌هاي مبتني بر BCI براي گذشت از محيط‌هاي چندگانه و مركب تنها از افكار خود بهره بگيرند.
Vidal، از دانشگاه كاليفورنيا در لس‌آنجلس، مي‌گويد: «سرانجام سيستم‌هاي محاسباتي مجهز به توابع مغزي كه اين روزها رشد فزاينده‌اي نيز از خود نشان مي‌دهند، استفاده كاربردي خواهند يافت و مطمئناً بسياري از آنان در حوزه‌هايي به كار گرفته مي‌شوند كه كاملاً غيرمنتظره و غافلگيركننده خواهد بود.»