انواع واسط مغز کامپیوتر (BCI) به تکنولوژی‌هایی اطلاق می‌شود که امکان ارتباط مستقیم بین مغز انسان و دستگاه‌های الکترونیکی را فراهم می‌کنند. این واسط‌ها به صورت غیرمخرب کار می‌کنند و به افراد که از بیماری‌های مغزی یا اختلالات حرکتی رنج‌می‌برند، امکان کنترل دستگاه‌ها و کامپیوترها را با استفاده از فعالیت‌های مغزی آنها فراهم می‌کنند.
این تکنولوژی‌ها می‌توانند موجب بهبود کیفیت زندگی افراد مبتلا به اختلالات مغزی شوند و به آنها امکان مستقل‌تر زندگی کردن را بدهند.
اما هریک کدام از این انواع واسط مغز کامپیوتر (BCI) به طریق‌های مختلف کار می‌کنند بعضی از آنها به جراحی احتیاج دارند و بعضی دیگر توسط دستگاه‌هایی به مغز متصل می‌شوند.
در این مطلب از مجله تخصصی مغز و اعصاب برین مگ به بررسی انواع واسط مغز کامپیوتر (BCI) می‌پردازیم و عملکرد هرکدام را برای شما توضیح می‌دهیم پس تا انتهای مطلب با ما همراه باشید.
انواع واسط مغز کامپیوتر (BCI)
رابط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) سیستم‌هایی هستند که سیگنال‌های مغزی را به دستورات قابل فهم برای کامپیوتر یا دستگاه‌های دیگر تبدیل می‌کنند.
این فناوری نوظهور پتانسیل‌های هیجان‌انگیزی را برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، از بازگرداندن توانایی حرکت و حس به افراد معلول گرفته تا کنترل مستقیم پروتزهای پیشرفته و حتی برقراری ارتباط ذهنی، ارائه می‌دهد. اما انواع واسط مغز کامپیوتر (BCI) به سه دسته تقسیم می‌شوند که شامل موارد زیر است:
- غیر تهاجمی
- نیمه تهاجمی
- تهاجمی
۱. واسط مغز کامپیوتر (BCI) غیر تهاجمی
یکی از ویژگی‌های مهم واسط مغز کامپیوتر (BCI) غیر تهاجمی بودن آن است، به این معنی که نیازی به ورودی جراحی به مغز انسان نیست و از طریق سنسورهای الکترونیکی شبیه به کلاه یا باندی که بر روی سر قرار می‌گیرد، اطلاعات مغزی به دست می‌آید.
واسط مغز کامپیوتر (BCI) غیر تهاجمی به دلیل عدم نیاز به ورودی جراحی و عدم خطرات مرتبط با آن، به عنوان یک روش ارتباطی امن و مؤثر بین مغز و کامپیوتر شناخته می‌شود.
این کار با استفاده از روش‌های مختلفی مانند الکتروانسفالوگرافی (EEG)، مغناطوآنسفالوگرافی (MEG) و نوری-مغزی (NIRS) انجام می‌شود.
برخلاف واسط مغز کامپیوتر (BCI)های تهاجمی که نیاز به کاشت الکترود در داخل جمجمه دارند، واسط مغز کامپیوتر (BCI)های غیر تهاجمی از طریق پوست سر یا سایر نقاط نزدیک به مغز سیگنال‌ها را ثبت می‌کنند. این امر واسط مغز کامپیوتر (BCI)های غیر تهاجمی را به گزینه‌ای ایمن‌تر، کم‌تهاجمی‌تر و مقرون به صرفه‌تر برای طیف گسترده‌تری از کاربردها تبدیل می‌کند.
عملکرد واسط مغز و کامپیوتر غیر تهاجمی
در اینجا به خلاصه‌ای از مراحل اساسی عملکرد واسط مغز و کامپیوتر غیر تهاجمی می‌پردازیم:
- جمع‌آوری سیگنال:
- الکترودهای EEG یا MEG روی پوست سر یا نزدیک به مغز قرار می‌گیرند.
- این الکترودها فعالیت الکتریکی یا مغناطیسی مغز را که به عنوان پتانسیل‌های مغزی شناخته می‌شود، ضبط می‌کنند.
- پتانسیل‌های مغزی مربوط به افکار، احساسات و اراده کاربر هستند.
- پردازش سیگنال:
- سیگنال‌های ضبط شده توسط الکترودها توسط کامپیوتر پردازش می‌شوند.
- هدف از پردازش سیگنال، حذف نویز و استخراج اطلاعات مرتبط با قصد کاربر است.
- الگوریتم‌های مختلفی برای پردازش سیگنال واسط مغز کامپیوتر (BCI) استفاده می‌شود.
- رمزگشایی سیگنال:
- در مرحله رمزگشایی، اطلاعات پردازش شده از سیگنال‌های مغزی به دستورات خاصی که کامپیوتر می‌تواند بفهمد ترجمه می‌شود.
- برای انجام این کار از الگوریتم‌های یادگیری ماشین استفاده می‌شود.
- الگوریتم‌های یادگیری ماشین با استفاده از مجموعه داده‌های سیگنال‌های مغزی و دستورات مربوطه آموزش می‌بینند.
- کنترل و بازخورد:
- دستورات رمزگشایی شده برای کنترل دستگاه خارجی یا نرم‌افزار کامپیوتر استفاده می‌شود.
- به عنوان مثال، کاربر می‌تواند با فکر کردن به حرکت دادن مکان‌نما، یک پروتز اندام را کنترل کند.
- در برخی از سیستم‌ها، بازخورد به کاربر ارائه می‌شود تا به آنها کمک کند تا افکار و احساسات خود را برای کنترل واسط مغز کامپیوتر (BCI) به طور مؤثرتری تنظیم کنند.
۲. واسط مغز کامپیوتر (BCI) نیمه تهاجمی
از الکترودهایی که بر روی سطح مغز قرار می‌گیرند برای ثبت فعالیت الکتریکی قشر مغز، از روش الکتروکورتیکوگرافی استفاده می‌شود. این تکنیک برای اولین بار در سال ۱۹۵۰ در مؤسسه مغز و اعصاب مونترال مورد استفاده قرار گرفت. این روش، اگرچه نیمه تهاجمی است، اما برای قرار دادن الکترودها بر روی سطح مغز نیازمند انجام جراحی کرانیتومی است. به همین دلیل، الکتروکورتیکوگرافی(ECoG) تنها در شرایط پزشکی خاص مانند درمان صرع استفاده می‌شود.
الکترودها می‌توانند در محیط خارجی ماده دورا یا زیر ماده دورا قرار گیرند. الکترودهایی با الگوی نواری یا شبکه‌ای می‌توانند یک منطقه گسترده از قشر مغز را پوشش دهند و به مطالعات شناختی گسترده‌ای کمک کنند (از ۴ تا ۲۵۶ الکترود).
مزایای بی نظیر ECoG
– دقت بسیار بالا در تشخیص مکان سیگنال
– مقاومت در مقابل نویز و اختلالات
– خطرات کم و پایداری در ثبت های بلندمدت
– پوشش گسترده‌ای از دامنه‌های مختلف
با توجه به نصب الکترودها زیر جمجمه در روش ECoG، دقت مکانی بیشتری نسبت به EEG داریم و نیازی به عبور فعالیت الکتریکی مغز از جمجمه و رسیدن به الکترودهای روی پوست نداریم. دقت مکانی در ECoG در محدوده میلی‌مترهاست، در حالی که در EEG در سانتی‌متر محاسبه می‌شود.
واسط مغز کامپیوتر (BCI) تهاجمی
در فناوری واسط مغز کامپیوتر (BCI) تهاجمی، الکترودها به وسیله یک عمل جراحی مغزی در مغز کاشته می‌شوند. این واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها می‌توانند شامل یکی از دو نوع single unit و multiunit باشند. در single unit (ثبت درون‌سلولی)، سیگنال‌های تولید شده توسط یک نورون ثبت می‌شوند و در multiunit (ثبت برون‌سلولی) فعالیت چندین نورون به طور همزمان ثبت می‌شود.
الکترودها ممکن است طول‌های مختلفی داشته باشند، از جمله تا ۱.۵ میلی‌متر یا حتی ۱۰ میلی‌متر. سیگنال‌هایی که توسط این الکترودها ثبت می‌شوند، کیفیت بالایی دارند. اما این روش دارای چندین مشکل اصلی است، به عنوان مثال خطر ایجاد بافت‌های زخمی در محل ثبت وجود دارد.
بدن به وجود یک تجهیز خارجی واکنش نشان می‌دهد و بافت‌های ضخیم‌تری را اطراف الکترودها ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث کاهش کیفیت سیگنال شود؛ بنابراین برای ثبت‌های طولانی مدت، این روش مناسب نیست. این باعث می‌شود که سلول‌ها از بین برود یا بافت‌های ضخیم‌تری حول الکترودها شکل گیرد.
- کاشت الکترود: الکترودهای واسط مغز کامپیوتر (BCI) تهاجمی طی یک عمل جراحی عمیق مغز در نواحی خاصی از مغز که با عملکرد مورد نظر (مانند حرکت، حس یا بینایی) مرتبط هستند، کاشته می‌شوند.
- جمع‌آوری سیگنال: الکترودهای کاشته شده فعالیت الکتریکی نورون‌ها را با دقت و وضوح فضایی بالا ضبط می‌کنند.
- پردازش سیگنال: سیگنال‌های مغزی ضبط شده توسط الگوریتم‌های پیچیده یادگیری ماشین پردازش می‌شوند تا الگوهای فعالیت مرتبط با افکار، احساسات یا اراده کاربر استخراج شوند.
- رمزگشایی سیگنال: الگوهای استخراج شده در مرحله پردازش به دستورات قابل فهم برای رایانه ترجمه می‌شوند.
- کنترل و بازخورد: دستورات رمزگشایی شده برای کنترل دستگاه‌های خارجی یا نرم‌افزار کامپیوتر استفاده می‌شوند. بازخورد حسی یا بصری به کاربر ارائه می‌شود تا به آنها کمک کند تا افکار و احساسات خود را برای کنترل واسط مغز کامپیوتر (BCI) به طور موثرتری تنظیم کنند.
کدام انواع واسط مغز کامپیوتر (BCI) بهترین است؟
یکی از انواع محبوب واسط مغز کامپیوتر (BCI)، BCIهای تصویری هستند که بر اساس تصاویری که فرد مشاهده می‌کند، فعالیت‌های مغزی را تشخیص می‌دهند. این نوع واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها برای افرادی که قادر به حرکت کردن نیستند، اما فعالیت مغزی ندارند، بسیار مفید هستند.
واسط مغز کامپیوتر (BCI)های مبتنی بر سیگنال‌های الکتروانسفالوگرافی (EEG) نیز یکی دیگر از انواع معروف واسط مغز کامپیوتر (BCI) هستند. این نوع واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها از سیگنال‌های مغزی که از طریق الکترودهای قرار گرفته بر روی صفحه‌ی سر فرد گرفته می‌شود، استفاده می‌کنند. این واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها برای کنترل پروتزهای حرکتی، کنترل بازی‌های ویدئویی و حتی برای تشخیص اختلالات مغزی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
با توجه به نیازها و شرایط مختلف افراد، بهترین نوع واسط مغز کامپیوتر (BCI) برای هر فرد ممکن است متفاوت باشد. برای افرادی که مشکلات حرکتی دارند، BCIهای تصویری ممکن است بهترین گزینه باشد، در حالی که برای افرادی که دارای مشکلات مغزی هستند، واسط مغز کامپیوتر (BCI)های EEG بهترین گزینه باشند. اما در کل، توسعه‌ی تکنولوژی واسط مغز کامپیوتر (BCI) همچنان ادامه دارد و احتمالا در آینده، انواع جدیدی از BCIها برای انواع مختلف نیازها و شرایط افراد به وجود خواهد آمد.
مزایای استفاده از BCI چیست؟
در اینجا به برخی از مزایای کلیدی استفاده از واسط مغز کامپیوتر (BCI) اشاره می‌کنیم:
۱.بازگرداندن تحرک و حس
واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها می‌توانند برای بازگرداندن توانایی حرکت و حس به افراد مبتلا به فلج، سکته مغزی، ضایعات نخاعی یا سایر اختلالات عصبی استفاده شوند. این امر می‌تواند از طریق تحریک پروتزهای اندام، اورتوها یا دستگاه‌های اگزواسکلتون با استفاده از افکار کاربر انجام شود. BCIها می‌توانند حس لامسه یا بینایی مصنوعی را برای افراد نابینا یا کم‌بینا نیز بازیابی کنند و به آنها کمک کنند تا دنیای اطراف خود را درک کنند.
۲. بهبود عملکرد شناختی:
واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها می‌توانند برای افزایش توجه، تمرکز، حافظه و توانایی‌های پردازش اطلاعات افراد استفاده شوند. این امر می‌تواند برای افراد مبتلا به اختلالاتی مانند ADHD، افسردگی، اضطراب یا زوال عقل مفید باشد. BCIها همچنین می‌توانند برای تحریک نواحی مغزی مرتبط با یادگیری و حل مسئله، به منظور ارتقای عملکرد شناختی در افراد سالم استفاده شوند.
۳. کنترل دستگاه‌ها:
۴. تعامل انسان و کامپیوتر:
۵. افزایش توانایی‌های انسانی:
۶. کاربردهای پزشکی:
۷. کاربردهای تحقیقاتی:
واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها ابزار قدرتمندی برای مطالعه مغز انسان و نحوه عملکرد آن ارائه می‌کنند. آنها می‌توانند برای بررسی فعالیت مغز در حین انجام وظایف مختلف، مطالعه ارتباط بین مغز و رفتار و درک اساس بیماری‌های عصبی استفاده شوند. BCIها همچنین می‌توانند برای توسعه مدل‌های جدید محاسباتی مغز و هوش مصنوعی استفاده شوند.
مزایای کلی جامعه:
علاوه بر مزایای فردی، واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها می‌توانند مزایای کلی قابل توجهی برای جامعه ارائه کنند. آنها می‌توانند به افراد مبتلا به ناتوانی کمک کنند تا استقلال و کیفیت زندگی خود را بازیابند، بار مراقبت از افراد مبتلا به بیماری‌های مزمن را کاهش دهند و به توسعه فناوری‌های جدید و نوآورانه کمک کنند. واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها همچنین می‌توانند درک ما از مغز انسان را ارتقا دهند و منجر به پیشرفت‌های علمی و پزشکی جدید شوند.
سخن پایانی
واسط‌های مغز و کامپیوتر (BCIها) فناوری‌های نوظهوری هستند که پتانسیل انقلابی در نحوه تعامل ما با دنیای اطرافمان و ارائه راه‌های درمانی جدید برای افراد مبتلا به اختلالات عصبی را دارند. واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها می‌توانند برای بازگرداندن تحرک و حس به افراد مبتلا به ناتوانی، بهبود عملکرد شناختی، کنترل دستگاه‌ها، افزایش توانایی‌های انسانی و موارد دیگر استفاده شوند.
با این حال، چالش‌هایی نیز وجود دارد که باید قبل از اینکه BCIها به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند، برطرف شوند. این چالش‌ها شامل نگرانی‌های مربوط به ایمنی و اخلاقی، هزینه بالا و پیچیدگی فناوری است.
با وجود این چالش‌ها، تحقیقات در حال انجام است تا واسط مغز کامپیوتر (BCI)ها را ایمن‌تر، مقرون به صرفه‌تر و کاربرپسندتر کند. در نتیجه، BCIها پتانسیل تبدیل شدن به ابزارهای قدرتمندی را دارند که می‌توانند کیفیت زندگی افراد را به طور قابل توجهی بهبود بخشند و به ما در درک بهتر مغز انسان کمک کنند.
در آینده، BCIها ممکن است به طور یکپارچه در زندگی روزمره ما ادغام شوند و به ما امکان دهند با دستگاه‌ها و محیط اطرافمان به روش‌های جدید و طبیعی تعامل داشته باشیم. آنها همچنین می‌توانند برای افزایش هوش و توانایی‌هایمان فراتر از حد طبیعی انسان استفاده شوند.
