واسط مغز و کامپیوتر (BCI) چیست؟

واسط مغز و کامپیوتر به عنوان یک حوزه پژوهشی رو به رشد، به بررسی روابط بین انسان و ماشین می‌پردازد.
این حوزه بر روی ارتباط بین مغز انسان و کامپیوتر تمرکز دارد و تلاش می‌کند تا روش‌هایی برای ارتباط مستقیم مغز و کامپیوتر ارائه دهد.

این فناوری جدید امکانات فراوانی را برای توسعه بیشتر ارتباط بین انسان و ماشین فراهم می‌کند و می‌تواند برای کاربردهای مختلفی از جمله بهبود عملکرد و توانایی مغز انسان در پزشکی، ارتباطات، بازی‌های ویدئویی و غیره مورد استفاده قرار گیرد.

از طرف دیگر، این فناوری نیز می‌تواند به ما کمک کند تا بهتر بفهمیم که چگونه مغز انسان کار می‌کند و چگونه می‌توان از این دانش برای طراحی و ساخت ماشین‌های هوشمند استفاده کرد. با توجه به پیشرفت‌های چشمگیر در حوزه هوش مصنوعی، واسط مغز و کامپیوتر به عنوان یک تکنولوژی نوظهور می‌تواند بهبود چشمگیری در زمینه‌های مختلف از جمله بهبود سلامت، ارتباطات و تفریح فراهم کند.

در این مطلب از مجله تخصصی مغز و اعصاب برین مگ، به بررسی عمیق واسط مغز و کامپیوتر (BCI)، انواع و کاربردهای آن می‌پردازیم پس تا انتهای مطلب با ما همراه باشید.

واسط مغز و کامپیوتر (BCI) چیست؟

واسط مغز کامپیوتر، یک سیستم است که مغز انسان را به تکنولوژی بیرونی متصل می‌کند و به افراد امکان می‌دهد که بدون نیاز به کنترل عضلات، با تکنولوژی ارتباط برقرار کنند.

BCI ها می‌توانند تهاجمی، نیمه تهاجمی یا غیرتهاجمی باشند. BCI های تهاجمی شامل کاشت الکترود در مغز است، در حالی که BCI های نیمه تهاجمی الکترودها را روی جمجمه قرار می‌دهند. BCI های غیرتهاجمی از روش‌هایی مانند الکتروانسفالوگرافی (EEG) یا تصویربرداری مغناطیسی کارکردی (fMRI) برای ضبط فعالیت مغز از طریق پوست سر استفاده می‌کنند.

کاربردهای بالقوه BCIها بسیار زیاد است. BCIها می‌توانند برای کمک به افراد معلول در برقراری ارتباط و حرکت، بازگرداندن عملکردهای از دست رفته به افراد مبتلا به سکته مغزی یا آسیب مغزی و حتی افزایش عملکرد شناختی افراد سالم استفاده شوند. تحقیقات در مورد BCI هنوز در مراحل اولیه است، اما پتانسیل این فناوری برای انقلاب در نحوه تعامل ما با دنیای اطرافمان بسیار زیاد است.

واسط مغز و کامپیوتر چگونه کار می‌کند؟

برای درک بهتر  با یک مثال شروع می‌کنیم، همان‌طور که معمولاً وقتی بخواهیم یک دستگاه رو در محیط اطرافمان  کنترل کنیم (مثلاً یک لامپ)، اول تصمیم می‌گیریم که چه کاری انجام بدیم (روشن کردن لامپ)، بعد با استفاده از عضلات و اعضای مختلف بدن (مثلاً با انگشتان دست کلید روشن/خاموش رو فشار می‌دهیم) و در نهایت دستگاه به فرمان ما عمل می‌کند (لامپ روشن می‌شود). BCIها این مرحله واسط هماهنگی و استفاده از عضلات رو برای انجام عمل مورد نیاز جایگزین می‌کنند و از رایانه برای شناسایی و کنترل مستقیم استفاده می‌کنند.

به همین دلیل، BCIها به عنوان یک فناوری امیدبخش برای دسترسی افراد با ناتوانی‌های شدید جسمی به کنترل قابل اعتماد بر روی بدنشان در حال تحقیق و پژوهش هستند.

استفاده از تکنولوژی BCI، نیاز به اراده آزاد برای کنترل عملکرد عضلات شما به منظور تعامل با دستگاه‌های اطرافتان دارد. در این حالت، کامپیوتر به جای اجرای یک حرکت فیزیکی، عملکرد مغز شما را تفسیر می‌کند و دستگاه را به طور مستقیم کنترل می‌کند.

رابط کامپیوتر و مغز دارای سه بخش اصلی است:

۱. دستگاهی برای اندازه‌گیری فعالیت مغز که معمولاً شامل سنسورهای تخصصی است که در یک هدست یا هدبند تعبیه شده‌اند تا سیگنال‌های دریافتی از مغز را ضبط و تشخیص دهند.

۲. کامپیوتر برای پردازش و تجزیه و تحلیل فعالیت ثبت شده مغز که با استفاده از الگوریتم‌های پردازش تخصصی، عملکرد مغز را تفسیر می‌کند.

۳. یک دستگاه یا کاربرد برای کنترل دستگاه‌هایی که با تصمیمات کامپیوتر هماهنگ شده‌اند.

همچنین، ارائه بازخورد به کاربر در تعامل با سیستم BCI بسیار مهم است تا کاربران بتوانند یاد بگیرند که چگونه فعالیت مغز خود را کنترل و تنظیم کنند، همانطور که ما می‌توانیم هماهنگی و کنترل بدن خود را یاد بگیریم.

مراحل استفاده از یک BCI به این صورت است: ابتدا فعالیت مغز شما ثبت می‌شود، سپس با پردازش اطلاعات تلاش می‌کنیم قصد شما را تشخیص دهیم، سپس یک سیگنال فرمان به برنامه‌ای که قرار است کنترل شود ارسال می‌شود و در نهایت، بازخورد به شما اعلام می‌کند که آیا اقدام شما موفق بوده یا خیر.

منظور از فعالیت مغز دقیقا چیست؟

مغز شما از میلیون‌ها سلول به نام نورون‌ها تشکیل شده است. این نورون‌ها با هم در شبکه‌های بزرگی کار می‌کنند تا فرایندهای بدن را هماهنگ و کنترل کنند، از درک حواسی که دارید گرفته تا انجام حرکات و تنظیم عملکرد‌های اصلی بدن مانند تنفس و ضربان قلب.

این نورون‌ها از طریق سیگنال‌های الکتروشیمیایی ارتباط برقرار می‌کنند. وقتی یک نورون فعال می‌شود، یک سیگنال الکتریکی تولید می‌کند که به نورون بعدی منتقل می‌شود و این فرایند ادامه پیدا می‌کند. این ارتباطات سبب می‌شود که اطلاعات به سرعت در سراسر مغز منتقل شود و مناطق مختلف مغز به هم متصل شوند.

هر نورون به تنهایی فعالیت الکتریکی زیادی تولید نمی‌کند، اما وقتی نورون‌ها با هم فعالیت می‌کنند، فعالیت الکتریکی قابل مشاهده‌ای تولید می‌شود. این فعالیت الکتریکی می‌تواند با استفاده از الکترودها روی سر اندازه‌گیری شود. این روش اندازه‌گیری فعالیت الکتریکی مغز به نام الکتروانسفالوگرافی یا نوار مغزی شناخته می‌شود. از EEG در بسیاری از سیستم‌های BCI برای ثبت فعالیت مغز استفاده می‌شود، اما این تنها یکی از روش‌ها است.

واسط مغز و کامپیوتر (BCI) می‌تواند ذهن ما را بخواند؟

خیر، یک واسط مغز و کامپیوتر قادر نیست تا افکار شما را خواند. حتی با وجود سیستم‌های BCI تهاجمی و قابل کاشت (که می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی قوی‌تری را ثبت کنند، زیرا نزدیک‌تر به مغز قرار می‌گیرند)، این فناوری هنوز بسیار دور از توانایی “خواندن” افکار هر فرد است.

به عبارت دیگر، BCIها به دنبال تشخیص الگوهای فعالیت مغز در پاسخ به محرک‌های خارجی خاص یا در طی فرایندهای شناختی خاص هستند.

 این الگوها معمولاً تحت پژوهش‌های علوم اعصاب و پزشکی قرار دارند. به عنوان مثال، اگر به یک نور چشمک زن خیره شوید، فعالیت مغز شما شروع به همگام سازی با سرعت آن نور چشمک زن می‌کند و این الگوی همگام سازی توسط BCI قابل تشخیص است. چندین نوع BCI بر اساس الگوهای نوروفیزیولوژیک عمل می کنند. در آینده، اطلاعات بیشتری در مورد انواع  مختلف BCI و الگوهای مغزی که آنها از آنها بهره می برند، در اختیار خواهیم داشت.

واسط مغز و کامپیوتر

انواع واسط مغز و کامپیوتر (BCI) چیست؟

واسط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) به طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند: تهاجمی، نیمه تهاجمی و غیرتهاجمی. هر نوع  از واسط مغز و کامپیوتر مزایا و معایب خاص خود را دارد و  هرکدام برای کاربردهای مختلف مناسب است.

۱. BCIهای تهاجمی

 واسط مغز و کامپیوترهای تهاجمی شامل کاشت الکترودها در داخل مغز، معمولاً در قشر حرکتی است. این الکترودها مستقیماً فعالیت عصبی را که مسئول کنترل حرکت است، ضبط می‌کنند. BCI های تهاجمی دقیق‌ترین نوع BCI هستند و می‌توانند برای کنترل طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها، از جمله اندام‌های مصنوعی، اگزواسکلتون‌ها و حتی رایانه‌ها استفاده شوند.

با این حال، BCI های تهاجمی نیز تهاجمی‌ترین نوع BCI هستند و با خطر عفونت و خونریزی همراه هستند. علاوه بر این، این روش ها گران هستند و به تخصص پزشکی بالایی نیاز دارند. به همین دلیل، BCI های تهاجمی معمولاً فقط برای افراد مبتلا به فلج شدید یا سایر ناتوانی های حرکتی که به شدت زندگی آنها را محدود می کند، استفاده می شود.

۲.BCIهای نیمه تهاجمی
BCI های نیمه تهاجمی شامل کاشت الکترودها روی سطح مغز، در زیر جمجمه است. این الکترودها فعالیت عصبی را که از قشر حرکتی عبور می کند، ضبط می کنند. BCI های نیمه تهاجمی کمتر از BCI های تهاجمی تهاجمی هستند، اما هنوز هم با خطر عفونت همراه هستند. آنها همچنین گران هستند و به تخصص پزشکی بالایی نیاز دارند.

با این حال، BCI های نیمه تهاجمی می توانند دقیق تر از BCI های غیرتهاجمی باشند و می توانند برای کنترل طیف گسترده ای از دستگاه ها استفاده شوند. آنها اغلب برای افراد مبتلا به فلج یا سایر ناتوانی های حرکتی که به اندازه کافی شدید نیستند که نیاز به BCI تهاجمی داشته باشند، استفاده می شوند.

۳.BCI های غیرتهاجمی
 واسط مغز و کامپیوتر های غیرتهاجمی شامل ضبط فعالیت مغز از طریق پوست سر بدون نیاز به جراحی است. رایج ترین روش های BCI غیرتهاجمی الکتروانسفالوگرافی (EEG) و تصویربرداری مغناطیسی کارکردی (fMRI) هستند.

EEG از الکترودهایی برای ضبط فعالیت الکتریکی مغز استفاده می کند. fMRI از میدان های مغناطیسی برای ایجاد تصاویری از فعالیت مغز استفاده می کند. BCI های غیرتهاجمی کم تهاجمی ترین نوع BCI هستند و هیچ خطری برای سلامتی ندارند. 

با این حال، BCI های غیرتهاجمی نیز کمترین دقت را دارند و می توانند برای کنترل طیف محدودی از دستگاه ها استفاده شوند. آنها اغلب برای تحقیقات یا برای کاربردهایی مانند کنترل بازی یا نرم افزارهای ساده استفاده می شوند.

انتخاب نوع مناسب BCI

نوع BCI مناسب برای یک فرد به نیازها و شرایط خاص او بستگی دارد. برای افراد مبتلا به فلج شدید یا سایر ناتوانی های حرکتی، BCI تهاجمی ممکن است بهترین گزینه باشد. برای افراد مبتلا به فلج یا ناتوانی های حرکتی کمتر شدید، BCI نیمه تهاجمی ممکن است کافی باشد. و برای افرادی که فقط می خواهند BCI را برای تحقیقات یا کاربردهای ساده امتحان کنند، BCI غیرتهاجمی ممکن است بهترین انتخاب باشد.

چه افرادی می توانند از BCI استفاده کند؟

بعضی از استفاده‌های اولیه BCI ها به افراد مبتلا به سندرم قفل شده کمک می‌کنند. این افراد از توانایی کنترل ارادی عضلات خود محروم شده‌اند و نمی‌توانند حتی حرکتی کوچک انجام دهند. اما با استفاده از  واسط مغز و کامپیوترها، می‌توانند ارتباط برقرار کنند. 

افراد مبتلا به سندرم قفل شده ممکن است ناشی از بیماری‌های نوروژنراتیو مانند ALS باشند. این افراد از نظر فیزیکی محدود هستند، اما از نظر شناختی هنوز آگاه هستند و تنها راهی برای ارتباط با دنیا از طریق BCIها است.

هر چند سیستم‌های اولیه BCI برای افراد قفل شده طراحی شده بودند، اما ارزش آنها برای افراد با اختلالات جسمی مختلف به سرعت مشهود شد. تحقیقاتی آغاز شد تا ببینیم چطور می توان BCI ها را به عنوان یک جایگزین، بازیابی یا تکمیل کنترل عضلات برای افراد با انواع مختلف ناتوانی‌های جسمی به کار برد. 

تحقیقات در حوزه BCI به سرعت گسترش یافت و اکنون BCI ها به عنوان یک ابزار برای کمک به حرکت ویلچرهای برقی، کار با اندام های مصنوعی، تجویز درمان های بازسازی عصبی مانند تحریک الکتریکی عملکردی، و دسترسی به ابزارهای مختلف از جمله دستگاه های ارتباطی، رایانه ها، تبلت‌ها و کنترل‌های محیطی برای انجام برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار می گیرند.

BCIها همچنین به افراد دارای معلولیت جسمی محدود نمی‌شوند. با گسترش تحقیقات BCI، به جمعیت معمولاً توسعه یافته نیز ترجمه شد. 

BCI ها اکنون برای برنامه هایی مانند ارزیابی خستگی برای مشاغل نیازمند توجه مانند کنترل ترافیک هوایی یا رانندگان کامیون، برای ایجاد تجربیات همه‌جانبه جدید برای بازی‌های ویدئویی و واقعیت مجازی، و برای ارزیابی احساسات و واکنش‌های کاربران در استراتژی‌های “بازاریابی عصبی” در حال توسعه هستند.

حتی برخی از دستگاه‌ها در حال حاضر به صورت تجاری در دسترس هستند، مانند هدبندهای “حسگر مغز” که بر سطح آرامش و تمرکز شما در حین مدیتیشن نظارت می‌کنند.

در دهه‌های آینده، احتمالاً تحقیقات و توسعه BCI به روند رشد خود ادامه خواهد داد و ممکن است شاهد استفاده گسترده‌تر از این فناوری در زندگی روزانه افراد باشیم.

یک نکته جالب این است که منابع بیشتری برای توسعه این برنامه‌ها در نظر گرفته شده است که به بهبود و ارتقای فناوری BCI کمک می‌کند؛ بنابراین با گسترش حوزه تحقیقات BCI، دقت، قابلیت اطمینان و کارایی این فناوری بهبود خواهد یافت و این بهترین گزینه برای افراد و کودکان دارای ناتوانی جسمی خواهد بود.

 

واسط مغز و کامپیوتر

کاربردهای واسط مغز و کامپیوتر چیست؟

واسط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) کاربردهای بالقوه زیادی دارند، از جمله:

  • بازگرداندن عملکرد: BCI ها می توانند برای بازگرداندن عملکردهایی که به دلیل سکته مغزی، آسیب مغزی یا سایر بیماری ها از دست رفته اند، استفاده شوند. به عنوان مثال، BCI ها می توانند برای کمک به افراد مبتلا به فلج در حرکت بازوها و پاهای خود یا برای کمک به افراد مبتلا به اختلالات گفتاری در برقراری ارتباط استفاده شوند.
 
  • افزایش عملکرد: BCI ها همچنین می توانند برای افزایش عملکرد شناختی افراد سالم استفاده شوند. به عنوان مثال، BCI ها می توانند برای کمک به افراد در تمرکز بهتر، یادگیری سریعتر یا به خاطر سپردن اطلاعات بیشتر استفاده شوند.
 
  • کنترل دستگاه ها: BCI ها می توانند برای کنترل طیف گسترده ای از دستگاه ها، از جمله رایانه ها، اگزواسکلتون ها و اندام های مصنوعی استفاده شوند. این امر می تواند به افراد معلول استقلال و کیفیت زندگی بیشتری بدهد.
 
  • ارتباط: BCI ها می توانند برای کمک به افرادی که قادر به برقراری ارتباط به روش های سنتی نیستند، مانند افراد مبتلا به قفل شدگی یا ALS، ارتباط برقرار کنند. BCI ها می توانند برای ترجمه افکار آنها به گفتار یا متن استفاده شوند.
 
  • سرگرمی: BCIها همچنین می‌توانند برای اهداف سرگرمی، مانند بازی‌های ویدئویی یا برنامه‌های واقعیت مجازی استفاده شوند.
 
  • تحقیقات: BCI ها از تحقیقات علمی در مورد مغز نیز استفاده می شوند. آنها می توانند برای مطالعه فعالیت مغز در زمان واقعی و نحوه واکنش مغز به محرک های مختلف استفاده شوند.
 

اینها تنها چند نمونه از کاربردهای بالقوه  واسط مغز و کامپیوتر ها هستند. با پیشرفت فناوری BCI، احتمالاً کاربردهای جدید و نوآورانه ای در سال های آینده پیدا خواهد شد.

توجه به این نکته مهم است که واسط مغز و کامپیوتر ها هنوز یک فناوری در حال توسعه هستند و چالش ها و محدودیت های زیادی وجود دارد که باید قبل از اینکه بتوان از آنها به طور گسترده استفاده کرد، برطرف شود. به عنوان مثال، BCI ها می توانند گران، تهاجمی و استفاده از آنها دشوار باشد. علاوه بر این، نگرانی های اخلاقی در مورد استفاده از BCI ها وجود دارد، مانند پتانسیل سوء استفاده و مسائل مربوط به حریم خصوصی.

با این حال،  واسط مغز و کامپیوترها پتانسیل انقلابی در نحوه تعامل ما با دنیای اطرافمان را دارند. تحقیقات در مورد BCI ها به سرعت در حال پیشرفت است و احتمالاً در سال های آینده شاهد پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه خواهیم بود.

 

سخن پایانی

واسط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) فناوری هیجان‌انگیزی با پتانسیل تغییر زندگی افراد را دارند. آنها می‌توانند به افراد معلول استقلال و کیفیت زندگی بیشتری بدهند، به افراد سالم در افزایش عملکرد شناختی خود کمک کنند و حتی نحوه تعامل ما با دنیای اطرافمان را متحول کنند.

با این حال، چالش‌ها و محدودیت‌های زیادی وجود دارد که باید قبل از اینکه BCI ها بتوانند به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند، برطرف شوند. BCI ها می توانند گران، تهاجمی و استفاده از آنها دشوار باشد. علاوه بر این، نگرانی های اخلاقی در مورد استفاده از BCI ها مانند پتانسیل سوء استفاده و مسائل مربوط به حریم خصوصی وجود دارد.

با وجود این چالش ها، تحقیقات در مورد BCI ها به سرعت در حال پیشرفت است و احتمالاً در سال های آینده شاهد پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه خواهیم بود. BCI ها پتانسیل انقلابی در نحوه زندگی، کار و تعامل ما با دنیای اطرافمان را دارند. من هیجان زده هستم که ببینم آینده چه چیزی برای BCI ها در نظر دارد.