حرکت به فرمان فناوری

فروردین ۱۳۹۶/ مارس ۲۰۱۷، جانسون در یک تصادف کارتینگ گردنش شکست و تقریبا به‌طور کامل از ناحیه زیر شانه‌ها فلج شد.

اتفاق ناامیدکننده‌ای که معمولا مساوی ناتوانی کامل فرد در نظر گرفته می‌شود. اما سپس تیم توانبخشی جانسون او را به محققان موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) معرفی کرد و آنها نیز از او دعوت کردند تا به‌نوعی آزمایش بالینی رابط مغز و رایانه (BCI) بپیوندد.

فناوری‌ای که حالا به جانسون و چند ده نفر دیگر این امکان را داده است که از فعالیت مغزشان برای کار با برنامه‌های رایانه‌ای یا حرکت دادن اندام مصنوعی استفاده کنند.

گرچه رسیدن به این مرحله سال‌ها طول می‌کشد و به صدها جلسه آموزشی فشرده نیاز دارد اما اگر این فناوری به‌طور گسترده در دنیا و به‌ویژه در کشور ما که علاوه‌بر ضایعات نخاعی ناشی از سوانح که البته به‌دلیل آمار بالای تصادفات جاده‌ای تعداد کمی نیست، میزبان جانبازان هشت سال دفاع مقدس و مدافعان حرم نیز هست؛ می‌تواند سطح زندگی این عزیزان را که براساس گزارش سازمان بهزیستی در سال ۹۶ تعداد معلولان کشور یک میلیون و ۳۰۰ هزار نفر ذکر شده است که از این تعداد ۴۵۰هزار نفر افراد دارای معلولیت جسمی -حرکتی هستند به شکل قابل‌توجهی ارتقا دهد.

با نگاهی به گزارش نشریه معتبر علمی نیچر درخصوص پیشرفت‌های این فناوری در دنیا، با آینده این فناوری و چالش‌های آن بیشتر آشنا خواهیم شد.

برای این‌که جانسون بتواند از فناوری بی‌ سی‌ آی استفاده کند، مستلزم این بود که ابتدا جراحی مغز و اعصاب برای کاشت دو شبکه الکترود در قشر مغزش انجام شود.

این الکترودها الگوی نورون‌های مغز را هنگام انتقال پیام ثبت می‌کنند و به این ترتیب محققان با کمک الگوریتم‌هایی برای رمزگشایی افکار و مقاصد فرد استفاده می‌کنند سپس این سیستم از فعالیت مغز جانسون برای کار با برنامه‌های رایانه‌ای یا حرکت دادن اندام مصنوعی استفاده می‌کند. رسیدن به این مرحله سال‌ها طول می‌کشد و به صدها جلسه آموزشی فشرده نیاز دارد.

جانسون اولین‌بار که از بی‌ سی‌ آی خود که در آذر ۹۷/ نوامبر ۲۰۱۸ کاشته شد استفاده کرد، پیکان موس را در صفحه رایانه حرکت داد.

او می‌گوید: «این حس من را به یاد فیلم ماتریکس انداخت. من به رایانه وصل شدم و فقط با فکر کردن توانستم پیکان موس را حرکت دهم.»

او از آن زمان از بی‌سی‌آی برای کنترل یک بازوی رباتیک، استفاده از نرم‌افزار فتوشاپ، بازی‌های ویدئویی و اکنون برای راندن خودروی شبیه‌سازی شده در محیط مجازی، تغییر سرعت، چرخش فرمان و واکنش به خطرات استفاده کرده‌است.

توجه بازار به رابط‌های مغزی

جانسون یکی از حدود ۳۵ نفری است که ایمپلنت بلندمدت بی‌سی‌آی در مغزشان کاشته شده است. در حال حاضر در سراسر دنیا تنها حدود ۱۰ آزمایشگاه چنین تحقیقاتی را پیش می‌برند اما این تحقیقات رو به افزایش است.

علاوه‌بر این در پنج سال گذشته، دامنه مهارت‌هایی که این دستگاه‌ها می‌توانند بازیابی کنند، بسیار گسترش یافته است.

فقط در یک‌سال گذشته، دانشمندان از فعالیت فردی گزارش دادند که با استفاده از بازویی رباتیک بازخورد حسی مستقیما به مغزش ارسال می‌شد، دستگاه گفتار مصنوعی برای فردی ارائه شد که در اثر سکته قادر به صحبت کردن نبود و فعالیت شخصی گزارش شد که می‌تواند با تصور دست خط خود با سرعت بی‌سابقه‌ای در شبکه‌های اجتماعی تعامل برقرار کند.

تا چند سال پیش، تقریبا همه ایمپلنت‌هایی که برای ثبت بلندمدت فعالیت سلول‌های عصبی استفاده می‌شدند در شرکتی واحد به نام بلک‌راک نوروتک (Blackrock Neurotech) توسعه‌دهنده تجهیزات پزشکی‌ای در یوتای ایالات متحده ساخته می‌شدند اما در هفت سال گذشته، توجه تجاری به حوزه بی‌سی‌آی‌ها افزایش یافته است؛ شاید یکی از مهم‌ترین اتفاقات درخصوص تجاری‌سازی این فناوری راه‌اندازی شرکت نورالینک در سال ۱۳۹۵ از سوی ایلان ماسک، کارآفرین و بینانگذار شرکت‌های تسلا و اسپیس‌ایکس در سانفرانسیسکو با هدف اتصال انسان و رایانه بود که ارزش آن به ۳۶۳میلیون دلار رسیده‌است.

با این حال، ورود بی‌سی‌آی به بازار مستلزم تحول یک فناوری سفارشی به صورتی است که فقط با امتحان در گروه کمی از افراد به محصولی برسد که می‌تواند در مقیاس تولید کارخانه‌ای ساخته و استفاده شود.

آزمایش‌های بالینی بزرگی باید نشان دهد که بی‌سی‌آی می‌تواند در محیط‌های غیرتحقیقی کار کند و اگر با قیمت‌های معقولی در بازار ارائه شود، می‌تواند زندگی روزمره کاربران را به طور قابل‌توجهی بهبود بخشد. البته زمان دستیابی به این مرحله نامشخص است اما توسعه این فناوری شتاب خوبی گرفته است.

مت آنگل، موسس شرکت پارادرومیکز، یک شرکت فناوری عصبی در تگزاس، می‌گوید: «هزاران سال است که ما به‌دنبال راهی برای درمان افرادی که دارای معلولیت هستند، بوده‌ایم. اکنون واقعا در آستانه دسترسی به فناوری‌هایی قرار گرفته‌ایم که می‌تواند چنین کارایی داشته باشد.»

تکامل رابط‌ها

تیر ۱۳۸۳/ ژوئن ۲۰۰۴، محققان شبکه‌ای از الکترودها را در قشر حرکتی مردی که بر اثر ضربه چاقو فلج شده بود، قرار دادند.

او اولین کسی بود که ایمپلنت بی‌سی‌آی بلندمدت دریافت کرد. مانند بسیاری از افرادی که از آن زمان به بعد بی‌سی‌آی دریافت کرده‌اند، توانایی شناختی‌اش آسیب ندیده بود.

او می‌توانست حرکت را تصور کند اما مسیرهای عصبی بین قشر حرکتی و ماهیچه‌هایش را از دست داده بود. پس از دهه‌ها مطالعاتی که گروه‌های تحقیقاتی گوناگون روی میمون‌ها بررسی کرده بودند، محققان آموختند چگونه می‌توان ضبط لحظه‌ای فعالیت را در قشر حرکتی حرکات حیوانات رمزگشایی کنند و حالا این بار این بررسی‌ را برای تبدیل فعالیت‌های مغزی انسان به کار گرفته بودند.

در سال ۱۳۸۵/۲۰۰۶، مقاله مهمی منتشر شد که نشان می‌داد فردی توانسته بود از طریق ذهنش پیکان موس را روی صفحه رایانه تکان بدهد، تلویزیون را کنترل کند و از بازوها و دست‌های رباتیک فقط با فکر کردن استفاده کند.

این مطالعه توسط لی هوچبرگ، عصب‌شناس و متخصص مغز و اعصاب مراقبت‌های ویژه در دانشگاه براون و در بیمارستان عمومی ماساچوست در بوستون انجام شد که هنوز هم این تحقیقات در گروه تحقیقاتی‌اش ادامه دارد.

هوچبرگ در این باره می‌گوید: «این یک نمایش بسیار ساده و ابتدایی و حرکات آهسته یا غیر دقیق بودند اما نشان داد این موضوع امکان‌پذیر است که بتوان با دریافت اطلاعات از قشر مغز فردی که قادر به حرکت نیست، دستگاهی خارجی را کنترل کرد.»

کاربران امروزی بی‌سی‌آی کنترل بسیار دقیق‌تری دارند و به طیف وسیع‌تری از مهارت‌ها دست یافته‌اند. این موضوع تا حدی به این دلیل است که محققان شروع به کاشت چند بی‌سی‌آی در نواحی مختلف مغز کاربر کرده‌ و راه‌های جدیدی برای شناسایی سیگنال‌های مفید ابداع کرده‌اند اما هوچبرگ می‌گوید بیشترین افزایش از طریق یادگیری ماشینی حاصل شده که توانایی رمزگشایی فعالیت‌های عصبی را بهبود بخشیده است.

به جای تلاش برای درک معنای هر الگوی فعالیت، یادگیری ماشینی به سادگی الگوها را شناسایی کرده و به قصد کاربر پیوند می‌دهد.

آرزوی فعالیت مستقل

وقتی از فرد توانیاب بپرسید از فناوری عصبی چه کمکی می‌خواهند، پاسخ بیشترشان، استقلال است. برای افرادی که قادر به حرکت اندام‌هایشان نیستند، این استقلال به معنای برگرداندن حرکت است.

یکی از روش‌ها کاشت الکترودهایی است که مستقیم عضلات اندام فرد را تحریک می‌کنند و بی‌سی‌آی مستقیم آنها را تحت کنترل درمی‌آورد.

سال ۱۳۹۶/ ۲۰۱۷ در مقاله‌ای گزارش شد از این سیستم برای انجام حرکات پیچیده بازو، از جمله نوشیدن یک فنجان قهوه و غذا خوردن فرد استفاده کرده‌اند.

آجیبویه، محقق این پژوهش می‌گوید: «زمانی که فرد برای اولین‌بار این روش را امتحان کرد، باید به‌شدت در مورد حرکت بازویش از نقطه الف به نقطه ب فکر می‌کرد اما با کسب آموزش بیشتر می‌توانست فقط به حرکت بازوی خود فکر کند تا بازو به حرکت در آید و همچنین احساس مالکیت بازو را به دست آورد.»

آجیبویه اکنون در حال گسترش فهرست سیگنال‌های فرمانی است که سیستمش می‌تواند رمزگشایی کند که مانند سیگنال‌های مربوط به نیروی گرفتن وسیله ‌است.

او همچنین می‌خواهد به کاربران بی‌سی‌آی حس لامسه بدهد، هدفی که چند آزمایشگاه تحقیقاتی دیگر نیز به دنبال دستیابی‌‌اش هستند.

سال ۱۳۹۴/۲۰۱۵، تیمی به رهبری رابرت گانت، عصب‌شناس در دانشگاه پیتسبورگ در پنسیلوانیا، کاشت الکترودی را در ناحیه مربوط به حرکت دست در قشر حسی ـــ پیکری فرد، جایی که اطلاعات لمسی پردازش می‌شود، گزارش دادند. هنگامی که آنها از الکترودها برای تحریک نورون‌ها استفاده کردند، فرد چیزی شبیه لمس شدن را احساس کرد.

سپس گانت با همکاری جنیفر کولینگر، عصب‌شناس دیگری که تحقیقات را در زمینه کنترل بازوهای رباتیک توسط بی‌سی‌آی پیش می‌برد، یک بازوی رباتیک با حسگرهای فشار تعبیه شده در نوک انگشتانش ساختند که به الکترودهای کاشته شده در قشر حسی ـــ پیکری برای برانگیختن حس مصنوعی لامسه وارد می‌شد.

گانت توضیح می‌دهد این یک احساس کاملا طبیعی نبود. گاهی اوقات احساس فشار یا تحریک شدن می‌کرد و گاهی اوقات بیشتر شبیه گزگز بود. با این حال، بازخورد لامسه باعث می‌شد استفاده از پروتز بسیار طبیعی‌تر باشد و در نتیجه زمان برداشتن یک جسم از تقریبا ۲۰ثانیه به ۱۰ثانیه کاهش یافت.

کاشت الکترودها در نواحی مغزی که نقش‌های متفاوتی دارند، می‌تواند به روش‌های دیگری به حرکت تفاوت‌های ظریفی اضافه کند.

ریچارد اندرسن، عصب‌شناسی که رهبری آزمایشی را که جانسون در آن شرکت می‌کند نیز به‌عهده دارد در تلاش است تا با ضربه زدن به قشر جداری خلفی (PPC) که قصد یا برنامه حرکت را شکل می‌دهد، اهداف انتزاعی‌تر کاربران را رمزگشایی کند. یعنی ممکن است این فکر را رمزگشایی کند که «من یک نوشیدنی می‌خواهم» در حالی که قشر حرکتی دست را به سمت قهوه هدایت می‌کند، قهوه را به سمت دهان می‌برد.

این نوع جدید ورودی عصبی به جانسون و دیگران کمک می‌کند تا آنچه را که می‌توانند انجام دهند گسترش دهند. جانسون از شبیه‌ساز رانندگی استفاده می‌کند و فردی دیگر می‌تواند با استفاده از بی‌سی‌آی خود پیانوی مجازی بنوازد.

از آزمایشگاه تا بازار

گرچه چنین دستاوردهایی توجه بسیاری از رسانه‌ها و سرمایه‌گذاران را به خود جلب کرده است اما این زمینه تا بهبود واقعی زندگی روزمره برای افرادی که توانایی حرکت یا صحبت کردن را از دست داده‌اند هنوز فاصله زیادی دارد. در حال حاضر داوطلبانی که در مطالعه‌ها شرکت می‌کنند از بی‌سی‌آی در جلسات مختصر و فشرده‌ای استفاده‌ می‌کنند.

تقریبا همه باید به‌صورت فیزیکی به بانکی از رایانه‌ها متصل شوند و تحت نظارت تیمی از دانشمندان باشند که دائما برای اصلاح و تنظیم مجدد رمزگشاها و نرم‌افزارهای مرتبط کار می‌کنند. اما چیزی که محققان به‌دنبالش هستند، وسیله‌ای است که برای همه افراد توانیاب در دسترس است، می‌توان آن را تجویز کرد، می‌توان آن را خرید و بلافاصله استفاده کرد. علاوه بر این، چنین دستگاه‌هایی به‌طور ایده‌آل باید برای تمام عمر کاربر دوام داشته باشند.

بسیاری از دانشگاهیان برجسته اکنون با شرکت‌های تجاری برای توسعه دستگاه‌های قابل‌فروش همکاری می‌کنند. دستگاه‌های تولید شده در شرکت بلک‌راک نوروتِک به مدت ۱۸ سال پایه اصلی تحقیقات بالینی بوده‌ است و حالا این شرکت در پی اخذ مجوز برای ارائه محصولش به بازار ظرف یک‌سال آینده است.

این شرکت در آبان گذشته، زمانی که سازمان غذا و داروی ایالات‌متحده، محصولات این شرکت را در فرآیند بررسی سریع قرار داد تا توسعه تجاری آنها را تسهیل کند، یک گام دیگر به بازار نزدیک شد.

این شرکت همچنین در حال توسعه بی‌سی‌آی قابل کاشت کاملا بی‌سیم است که استفاده از آن را آسان‌تر کرده و نیاز به داشتن پورت در جمجمه کاربر را برطرف می‌کند. شرکت‌های نورالینک و پارادرومیکز از همان ابتدای فعالیت‌شان این ویژگی را در دستگاه‌هایی که در حال توسعه‌شان هستند، به کار برده‌اند.
هدف این دو شرکت افزایش پهنای باند سیگنال است که می‌تواند عملکرد دستگاه را با افزایش تعداد نورون‌های ضبط‌شده بهبود بخشد.

سیستم طراحی‌شده در شرکت نورالینک از الکترودهای بسیار ظریف و انعطاف‌پذیر به نام «نخ‌» استفاده می‌کند که هم انعطاف‌پذیری لازم متناسب با ساختار مغز را داشته باشد و هم واکنش‌های ایمنی کمتری را تحریک کند. هدف این است که دستگاه بادوام‌تر و دریافت پیام‌های مغزی پایدارتر شود.

نورالینک هنوز هیچ مقاله‌ای از نتایج مطالعاتش منتشر نکرده است اما یک پست وبلاگی در سال ۱۴۰۰/۲۰۲۱ از کاشت موفقیت‌آمیز نخ‌ها در مغز میمون برای ثبت پیام‌های مغزی از ۱۰۲۴ ناحیه خبر داد. با وجود این‌که نورالینک تاکنون این فناوری را فقط در حیوانات آزمایش کرده است، دانشگاهیان مایلند این فناوری برای بررسی کامل منتشر شود. آجیبویه می‌گوید: «اگر آنچه آنها ادعا می‌کنند درست باشد، این فناوری می‌تواند به‌کلی بازی را تغییر دهد.»

چالش‌های پیش‌رو

اکثر محققانی که روی بی‌سی‌آی کار می‌کنند در مورد چالش‌های پیش‌روی خود واقع‌بین هستند. آنها معتقدند این فناوری واقعا بیش از هر دستگاه عصبی دیگری که تاکنون ساخته شده پیچیده است و احتمالا سال‌های دشواری برای رشد این فناوری و رسیدن آن به مرحله بلوغ پیش‌رو خواهد بود.

دستگاه‌های تجاری باید بتوانند ماه‌ها یا سال‌ها بدون نظارت متخصص کار کنند و باید برای هر فرد با شرایط منحصربه‌فردی که دارد به یک اندازه عملکرد خوب داشته باشند.

اورسبورن، متخصص عصب‌شناسی می‌گوید: «تغییرپذیری از فردی به فرد دیگر چیزی است که من فکر نمی‌کنم ما بدانیم تا چه حد دامنه خواهد داشت. در پستانداران غیرانسانی، حتی تغییرات کوچک در موقعیت الکترود می‌تواند بر مدارهایی که ضربه می‌زنند تأثیر بگذارد.»

او گمان می‌کند در نحوه تفکر و یادگیری افراد مختلف و روش‌هایی که مغز کاربران تحت تأثیر شرایط مختلف آنها قرار گرفته است، ویژگی‌های خاصی وجود دارد.

در نهایت، خواسته گسترده‌ای وجود دارد که نظارت اخلاقی باید همگام با این فناوری به‌سرعت در حال تکامل باشد. بی‌سی‌آی‌ها نگرانی‌های متعددی، از حریم خصوصی گرفته تا استقلال شخصی را ممکن است به دنبال داشته باشند.

متخصصان اخلاق تأکید می‌کنند که کاربران باید کنترل کامل خروجی دستگاه‌ها را در اختیار داشته باشند. اگرچه فناوری‌های کنونی نمی‌توانند افکار خصوصی افراد را رمزگشایی کنند ولی توسعه‌دهندگان سوابقی از تمامی ارتباطات کاربران و داده‌های حیاتی در مورد سلامت مغز آنها خواهند داشت. علاوه‌براین، بی‌سی‌آی‌ها نوع جدیدی از خطر امنیت سایبری را ارائه می‌دهند که باید از پیش در مورد آن فکر شود.

تبدیل حرکت به مغهوم موردنظر

یکی از مخرب‌ترین پیامدهای مربوط به آسیب‌های مغزی از دست دادن توانایی برقراری ارتباط است. در مطالعات اولیه بی‌سی‌آی، داوطلبان می‌توانستند با تصور حرکت دست‌شان، پیکان موس را در اطراف صفحه رایانه حرکت دهند و سپس با تصور واژه کلیک، با موس کلیک کنند. اما اخیرا، گروهی تحقیقاتی با هدف قرار دادن حرکاتی که مردم به‌طور طبیعی برای بیان احساس‌شان از آنها استفاده می‌کنند، پیشرفت سریعی داشته‌اند.

سال گذشته، این گروه رویکرد جدیدی را گزارش کردند که شرکت‌کننده در مطالعه را که قادر به صحبت بود اما از گردن به پایین فلج است‌، قادر می‌سازد تا با دو برابر سرعت بیشتر صحبت کند.

محققان از این فرد خواسته بودند در حالی‌که اطلاعات قشر حرکتی‌اش را ضبط می‌کنند، دستخطش را تصور کند (برای تبدیل افکار به نوشته). البته در این روش سیستم گاهی ‌اوقات برای تمایز سیگنال‌های مربوط به حروفی که به روشی مشابه با دست نوشته می‌شوند، مانند r،‌n و h به مشکل می‌خورد اما به‌طور کلی می‌توانست حروف را به‌راحتی تشخیص دهد. الگوریتم‌های رمزگشایی در ابتدا ۹۵ درصد دقیق بودند اما هنگامی که با استفاده از مدل‌های زبان آماری که مشابه الگوریتم پیش‌بینی متن در گوشی‌های هوشمند هستند، تصحیح خودکار انجام شد، این میزان به ۹۹ درصد افزایش یافت.

با این روش حرکات بسیار سریع و بسیار ظریف با سرعت ۹۰ کاراکتر در دقیقه رمزگشایی می‌شوند.

دگری، فردی که این آزمایش رویش انجام شده است و نزدیک به شش سال است که بی‌سی‌آی عملکردی در مغز خود دارد، می‌گوید: «این قابل توجه است که انجام وظایف چقدر بدون زحمت می‌شود. این فرآیند مشابه یادگیری شنا‌ست؛ در ابتدا خیلی درهم به‌نظر می‌رسد اما ناگهان همه چیز قابل درک می‌شود.»
رویکرد اصلی این گروه تحقیقاتی برای بازگرداندن توانایی برقراری ارتباطات، به‌جای نوشتن بر صحبت کردن متمرکز است؛ البته با استفاده از یک اصل مشابه.

همان‌طور که نوشتار از حروف متمایز تشکیل می‌شود، گفتار نیز از واحدهای گسسته‌ای به‌نام واج یا صداهای منفرد تشکیل می‌شود. حدود ۵۰ واج در زبان انگلیسی وجود دارد که هر‌کدام با یک حرکت کلیشه‌ای مجرای صوتی، زبان و لب‌ها ایجاد می‌شود. محققان این بینش را برای ایجاد یک سیستم رمزگشایی گفتار به کار بردند که گفتار مورد نظر کاربر را به‌صورت متن روی صفحه نمایش می‌دهد. سال گذشته، آنها گزارش دادند که این دستگاه با استفاده از واژگان از پیش انتخاب شده ۵۰ کلمه‌ای و با سرعت ۱۵ کلمه در دقیقه، فردی را که در اثر ضربه ساقه مغز قادر به صحبت کردن نبود، قادر به برقراری ارتباط می‌کرد.

عمیق‌ترین از دست دادن ارتباط در افرادی رخ می‌دهد که هوشیار هستند اما قادر به صحبت یا حرکت نیستند. در ماه گذشته، گروهی از دانشمندان علوم اعصاب دانشگاه توبینگن آلمان گزارش کردند که توانسته‌اند با مردی که مبتلا به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS یا بیماری نورون حرکتی) بود، ارتباط برقرار کنند. این مرد قبلا برای برقراری ارتباط به حرکات چشم تکیه می‌کرد اما به‌تدریج توانایی حرکت چشمان خود را از دست داد.

تیم محققان از خانواده مرد برای کاشت بی‌ سی‌ آی رضایت گرفتند و از او خواستند حرکاتی را تصور کند تا از فعالیت مغزش برای انتخاب حروف روی صفحه استفاده کند. وقتی این کار ناموفق بود، آنها سعی کردند صدایی را پخش کنند که فعالیت مغز مرد را تقلید کند - صدایی بالاتر برای فعالیت بیشتر، پایین‌تر برای کمتر - و به او یاد دادند که فعالیت عصبی خود را تعدیل کند تا زیر و بمی صدا را به ترتیب برای سیگنال بله و خیر در‌نظر بگیرند. این ترتیب او می‌توانست هر دقیقه یا بیشتر یک حرف الفبا را انتخاب کند.

برگرفته از: Nature

عسل اخویان طهرانی - دانش