رابط مغز و کامپیوتر (BCI)

رابط مغز و کامپیوتر (BCI)

رابط مغز و کامپیوتر از مجموعه‌ای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل می‌شود که فعالیت مغزی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنال‌های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می‌کند.

در این سامانه ابتدا باید امواج مغزی را با استفاده از دستگاه‌های ثبت امواج مغزی ثبت کرد که معمولاً به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از الکتروانسفالوگرافی برای ثبت امواج مغزی استفاده می‌شود.

الکترودهای EEG در سطح پوست سر قرار می‌گیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت نورون ها را اندازه گیری می‌کنند.

بعد از آن این امواج بررسی شده و ویژگی‌های موردنظر استخراج می‌شود و از روی این ویژگی‌ها می‌توان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد.

این روش چگونه کشف شد؟

نقاشی فوق در سال  ۱۹۳۸ هربرت جاسپر عصب شناس جوان آمریکای شمالی برای تبریک تعطیلات به هانس برگر فرستاد.

این رندر اولیه از چیزی است که در حال حاضر  ما آنرا رابط مغز و کامپیوتر می نامیم.

هانس برگر، استاد روانپزشکی دانشگاه Jena در آلمان، برای اولین بار  کشف کرد که سیگنال های الکتریکی تولید شده توسط مغز انسان را میتوان از پوست سر ثبت کرد.

هانس بعد از ۴ سال مطالعه نخستین مقاله از ۱۴ مقاله خود را منتشر کرد که در آن الکتروانسفالوگرافی (EEG) را به عنوان یک ابزار اساسی برای تشخیص بالینی و تحقیق مغز معرفی کرد.

در سال ۱۹۳۸، درست زمانی  که کار او شروع به شناخت بین المللی کرده بود، دولت آلمان آزمایشگاه برگر را تعطیل کرده و او را مجبور به بازنشستگی کرد.

گرچه تصویر یک تصور خیالی از آنچه که ما BCI را می شناسیم هست، ولی نشان میدهد که در آن زمان جاسپر به این پی برده بود که میتوان از سیگنالهای EEG برای ارتباطات استفاده کرد.

عناوین مختلف این شاخه

این شاخه از علم با عناوین زیادی شناخته می‌شود که

واسط مغز وکامپیوتر(Brain Computer Interface) (BCI) ،

رابط بین ذهن و دستگاه (Brain Machine Interface)(BMI)،

رابط نورونی مستقیم(Direct Neural Interface) (DNI)

و رابط تلپاتی (Synthetic Telepathy Interface) (STI)

تعدادی از این نامهاست و در جهت بهبود شناخت انسان از محیط پیرامونش و افزایش توانایی او در ارتباط با دستگاه‌های مختلف فعالیت دارد.

آغاز تحقیقات روی BCI اولین بار در دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس (UCLA) تحت قراردادی که با سازمان پروژه‌های پیشرفته دفاعی دارپا بسته شد، آغاز شد و مقالاتی که در آن زمان داده شد، اولین‌ها در این زمینه بودند.

تحقیقات اولیه ابتدا بر روی پروتزهای نرونی بود که در جهت بهبود بینایی و شنوایی و حرکات ارادی کاربرد داشت.

با توجه به ساختار مغز پیامهایی که به وسیلهٔ الکترودها از دنیای بیرون به مغز داده می‌شود همانند سایر پیام‌های داخلی بدن پاسخ داده می‌شود.

دستگاه عصبی مرکزی(central nervous system )

دستگاه عصبی مرکزی یا سامانه عصبی مرکزی بزرگترین بخش دستگاه عصبی است و دربرگیرنده مغز و طناب نخاعی است.

مغز و طناب نخاعی توسط سازه‌های استخوانی و غشایی محافظت می‌شوند.

مغز در محفظه درونی جمجمه نگهداری می‌شود و از مخ، مخچه و ساقه مغز تشکیل می‌گردد.

رشته‌های عصبی مربوط به سامانه عصبی مرکزی، رشته‌های عصبی طناب نخاعی و مغزی هستند.

دستگاه عصبی مرکزی را می‌توان به دو بخش مراکز زیرین (دربرگیرنده طناب نخاعی و ساقه مغز) و بالایی مغز بخش کرد.

مراکز زیرین با مغز از راه رشته‌های عصبی در پیوند هستند.

دستگاه عصبی مرکزی به همراه دستگاه عصبی پیرامونی، نقش بنیادینی در کنترل رفتار انسان دارد.

دستگاه عصبی مرکزی پردازش اطلاعات و محاسبه حرکت مناسب در پاسخ به دریافت ورودی از رویدادهای خارج از بدن را بر عهده دارد.

چه بیماری‍هایی باعث آسیب به سیستم عصبی عضلانی می‌شوند؟

بیماری‌های متفاوتی می‌توانند باعث صدمه دیدن سیستم عصبی عضلانی که مغز از طریق آن قادر به ایجاد ارتباط و اعمال کنترل به محیط خارج است شوند.

آیا میدانستید که قرار گرفتن بیش از حد در معرض میدانهای الکترومغناطیسی نیز می‌تواند به سیستم عصبی عضلانی آسیب برساند؟

می‌توانید در این مورد بیشتر مطالعه کنید.پارت اول و دوم

بیماری‌هایی از قبیل سختیدگی جانبی فروافتادگی عضلات، حمله به ساقه مغز، آسیب‌های مغزی-نخاعی، فلج مغزی، دش ماهیچگی و فلج چندگانه مثال‌هایی از انواع بیماری‌هایی هستند که مسیر عصبی کنترل عضلات در آن‌ها آسیب می‌بیند.

در شرایط حاد بیماری، فرد مبتلا ممکن است تمام حرکات ارادی خود را از دست بدهد.

حتی ممکن است حرکات چشم و تنفس که اعمالی غیرارادی هستند نیز امکان‌پذیر نباشد.

به این‌گونه بیماران، اصطلاحاً نشانگان قفل‌شدگی گفته می‌شود.

در غیاب روش‌هایی برای جبران فیزیولوژیکی آسیب‌های وارده در اثر این بیماری‌ها، سه انتخاب برای بازآفرینی عملکرد طبیعی بیماران وجود دارد:

  1. افزایش قابلیت‌های مسیرهای عصبی-عضلانی باقی‌مانده.
  2. بازسازی عملکرد از دست رفته توسط عبور از مناطق آسیب دیده در مسیر عصبی.
  3. فراهم آوردن مسیر ارتباطی جدید و غیرماهیچه‌ای برای مغز است که از طریق آن بتواند مستقیماً پیام‌ها و دستورالعمل‌های کنترلی را به محیط خارج ارسال نماید که به آن رابط مغز و کامپیوتر می گویند.

امواج مغز

سیگنال‌های EEG که می‌توان به عنوان ورودی سیستم BCI استفاده کرد را می‌توان به دسته‌های زیر تقسیم کرد:

  1. فعالیت‌های مغزی ریتمیک
  2. پتانسیل‌های برانگیخته

مغز متشکل از میلیون‌ها سلولی است که هر کدام عمل متفاوتی را انجام می‌دهند.

از این‌ رو در هر لحظه، و در هر جای مغز ترکیب مختلفی ازانواع بسامدها را می‌توان داشت.

بسته به سطح هوشیاری، امواج مغزی افراد طبیعی، فعالیت ریتمیک متفاوتی از خود نشان می‌دهد.

برای مثال، مراحل مختلف خواب را می‌توان در EEG مشاهده کرد.

همچنین به هنگام بیداری نیز امواج ریتمیک متفاوتی به‌وجود می‌آید.

این ریتم‌ها با افکار و اعمال مختلف تحت تأثیر قرار می‌گیرند.

برای مثال، طرح‌ریزی یک حرکت می‌تواند یک ریتم خاص را بلوکه یا تضعیف کند.

این واقعیت که افکار محض می‌توانند روی ریتم‌های مغزی اثر بگذارند، می‌تواند به عنوان اساس سیستم‌های رابط مغز و رایانه به‌کار رود.

این امواج را می‌توان به چندین رنج فرکانسی تقسیم کرد:

باندهای فرکانسی امواج ریتمیک

فرکانس باند

  • (۰٫۱–۳) دلتا
  • (۴–۷) تتا
  • (۸–۱۵) آلفا
  • (۱۶–۳۱) بتا

پتانسیل‌های برانگیخته در حقیقت تغییراتی در سیگنال EEG هستند که در پاسخ به یک «اتفاق» مغزی یا محرک خاص روی می‌دهند.

این تغییرات آنقدر کوچکند که برای آشکارسازی آن باید نمونه‌های بسیاری از EEG در تکرارهای زیاد میانگین‌گیری شوند.

این میانگین‌گیری پرش‌های تصادفی سیگنال EEG که وابسته به محرک نیستند را از بین می‌برد؛ بنابراین بررسی سیگنال‌های ناشی از تحریک مغز همان تجزیه و تحلیل حوزه زمان سیگنال EEG می‌باشد.

به عنوان نمونه‌ای از این پتانسیل‌ها می‌توان به پتانسیل P300 اشاره کرد؛ که با تأخیری حدود ۳۰۰ میلی‌ثانیه و با پیک مثبت روی جمجمه قابل ثبت خواهد بود.

هاله علیپور

مطالب مرتبط

دیدگاهها

نظر:

12 + 6 =