ایجاد احساس لامسه در فرد فلج توسط واسط مغز-کامپیوتر (BCI) همراه با بازخورد لمسی

هدف بلند مدت ایجاد سیستم واسط مغز-کامپیوتری است که بتواند در خانه نیز به میزان کارایی سیستم در آزمایشگاه بازدهی داشته باشد.

ایان بوخارد در سال 2010 دچار آسیب دیدگی نخاعی شد. پروژه Battelle NeuroLife در حال ترمیم عملکرد حرکتی در بازوی راست او با یک سیستم واسط مغز-کامپیوتر می باشد.

نویسنده: امیررضا جهانی

ایان بوخارد ، که اکنون 28 سال دارد، در سال 2010  در حین غواصی دچار حادثه ای شد که نخاع وی را به شدت مورد آسیب قرار داد، در نتیجه ی این حادثه او فلج، و به ویلچیر محدود شد و همچنین تنها قادر به ایجاد حرکات محدودی در ناحیه آرنج و شانه ها بود. به لطف واسط مغز-کامپیوتر(BCI) كه توسط گروه Battelle ساخته شده است ، او در طول شش سال گذشته در بازگرداندن حرکات كوچك پيشرفت چشمگيري داشته است. او حتی قادر است تا دوباره به بازی Guitar Hero  (نوعی بازی ویدئویی) بپردازد. و طبق دانش جدید در ژورنال Cell ، دانشمندان Battelle موفق شده اند حس لامسه وی را بازیابی کنند.

BCI یک میدان تحقیق و توسعه پررونق است ، با راه اندازی پروژه هایی مانند Elon Musk’s Neuralink به دنیایی که در آن انسان مستقیماً توسط دستگاه های خارجی (با عملکرد EEG) و یا دستگاه های سازگار از نظر بیولوژیک، به رایانه های خود متصل می شود. چنین سیستم هایی به ثبت فعالیت عصبی (حسگر الکترود) ، راهی برای انتقال سیگنال ها (مانند یک چیپست بی سیم کوچک) و الگوریتم هایی که بتوانند آن سیگنال ها را به عمل تبدیل کنند، نیاز دارند. BCI در حال حاضر برای بیمارانی که صدمات نخاعی دارند ، مانند Burkhart ، یا کسانی که از تشنج های پارکینسون یا صرع رنج می برند ، یک واقعیت پزشکی است. فوایدی که بیماران به دست می آورند از خطرات کاشت جراحی بسیار بالاتر است.

در طی 90 سال گذشته ، Battelle در ساخت بسیاری از فناوری های برجسته مانند دستگاه Xerox، کروز کنترل و CD-ROM به همراه بسیاری از تجهیزات پزشکی دیگر، نقش مهمی داشته است. پاتریک گانزر ، نویسنده اصلی مقاله جدید Cell ، یک دانشمند پژوهشی است که به همراه بخش دستگاه های پزشکی این سازمان، و همچنین گروه NeuroLife برای تهیه یک واسط مغز-کامپیوتر برای کارآزمایی بالینی همکاری می کند. ایان بوخارد از سال 2014 برای بازیابی عملکرد حرکتی در بازوی سمت راست خود با گانزر و NeuroLife همکاری می کند.

محققان گروه Battelle NeuroLife چندین سال است که در تلاش اند تا عملکرد دست ایان بوخارد را از طریق واسط مغز-کامپیوتر (BCI) به وی بازگردانند.

به گفته گانزر ، “سیستم بایپس عصبی” Battelle دارای سه مؤلفه اصلی است. اولین مورد ، تراشه کاشته شده توسط عمل جراحی است که در ناحیه ای از مغز قرار می گیرد و به افکار حرکتی پاسخ می دهد. در مرحله بعد ، سیستم باید امواج مغزی و سیگنال های مغزی را ثبت کند و آنچه را که حرکات بیمار (در این مورد بوخارد) در مورد آن فکر می کند را رمزگشایی کند. گانزر ادامه داد: “اینکه اگر من بخواهم دستم را باز یا بسته کنم، هر کدام از حالت ها شامل فعالیت های مختلف و جداگانه در مغز می باشد.” سرانجام سیستم، اندیشه ها را به تحریک عضلات روی بازو تبدیل می کند و در نتیجه بازو حرکت می کند.

در حالی که این سیستم از نظر بازیابی طیف گسترده ای از کارکردهای جزئی به دست فلج بوخارد به خوبی کار کرده است، آسیب وی به حدی شدید است که تقریباً هیچ حسی در دست ندارد. گانزر گفت: “ما می دانیم که حس لامسه برای کنترل مناسب حرکات چقدر مهم است.” او ادامه داد:”حتی یک تغییر کوچک در توانایی احساس لامسه می تواند تأثیر بسیار زیادی در کنترل حرکات شما و عملکرد کلی اندام فوقانی داشته باشد.” بنابراین اگر بوخارد در حالت چشم بسته باشد ، نمی تواند هنگام گرفتن اشیاء کوچک مانند یک مداد ، از طریق حس لامسه آنها را تشخیص دهد، و برای اشیاء بزرگتر مانند یک لیوان پلاستیکی و یا فنجان، حدس های او شانسی برای درست بودن ندارند. او همچنین به انجام کارهای چندگانه ساده مانند نوشیدن نوشابه در هنگام تماشای تلویزیون نیز پرداخته است، زیرا کنترل دست وی با سیستم BCI به تمرکز زیادی احتیاج دارد.

فقدان این احساس همچنین به این معنی است که بوخارد بازخورد حسی قاطع ندارد ، بنابراین به گفته گانزر “او نمی تواند احساس کند که دست او مال خودش است”.

این برعکس دست های رایج پروتز است ، که در آن بازخورد حسی از عمل لمس همزمان هر دو دست واقعی و پروتز اساساً موضوع “دست زوج” را بیان می کند ، به گونه ای که آنچه را به عنوان یک توهم انتقال بدنی می شناسند، مغز آن را به عنوان یک پسوند بدنی درک می کند. فقدان بازخورد در مورد بوخارد به این معنی است که اتصال جفت به صورت قطعی رخ نمی دهد.

با وجود فلج بودن وی ، گانزر و تیمش دریافتند که وقتی آنها پوست او را تحریک می کنند ، سیگنال های عصبی که به مغز او می رسند – پدیده ای که تحت عنوان فعالیت مغز غیر ادراکی شناخته می شود – برای درک مغز بسیار ضعیف هستند. این بدان معناست که بوخارد هنوز چند فیبر عصبی در بازوی خود دارد. بنابراین تیم Battelle در مورد نحوه تقویت این سیگنال کوچک با بازخورد لمسی، مانند لرزش های یک تلفن همراه یا دسته کنترل کننده بازی، تصمیم گرفت. سیستم آنها از الکترودهای موجود روی پوست فرد که متصل به سیم هستند استفاده می کند. که این فرآیند طناب نخاعی را دور زده و سیگنال های لامسه غیر ادراکی را به واسط مغز-کامپیوتر که در قشر حرکتی فرد کاشته شده است، می فرستد. گروهی از موتورهای ارتعاشی در بازوی فوقانی بوخارد، بازخورد حباب حسی را ارائه می دهد.

از آنجا که بازخورد حسی پیچیده تر، نیاز به سطحی از شناخت عملکرد چند تکلیفی (multitasking) دارد که می تواند باعث جدا شدن حلقه بازخورد طبیعی شود، گروه NeuroLife برای اثبات این اصل، بازخورد حسی را نسبتاً ساده بیان داشته است. اما نتایج اولیه بسیار امیدوار کننده بود، به خصوص مراحلی که برای توانایی بوخارد که در تشخیص یک جسم تنها با تکیه بر احساس لامسه در حالتی که چشمان او بسته بود، انجام گرفت. گانزر گفت: “بوخارد بدون داشتن سیستم ترمیم لمسی، به طور شانسی عمل می کند.” “اگر سیستم را فعال کرده و حس لامسه غیر ادراکی را همراه با درک آگاهانه تقویت کنید، حس تشخیص اشیاء و لامسه او تقریباً به 100 درصد می رسد. این نشان می دهد که شما می توانید در زمان واقعی سیگنال غیر ادراکی را تقویت کنید.”

بازخورد حسی به بوخارد کنترل بیشتری بر حرکات دست خود می دهد، او همچنین توانایی احساس صحیح فشار، در هنگام استفاده از اشیاء مختلف، را دارا می باشد. مانند لیوان پلاستیکی، که نیاز به فشار سبک تری نبست به یک فنجان سرامیکی دارد. این همچنین اولین سیستم واسط مغز-کامپیوتر است که می تواند ترمیم حرکت و احساس لامسه را همزمان کنترل کند.

گانزر بیان داشت: “به جای اینکه بتوانید دست خود را تحت کنترل خود داشته باشید و به حرکت خود برای چند ثانیه فکر کنید ، که این امر می تواند موجب از بین رفتن حرکت شود، ما سیگنال های لمسی باقیمانده ای از مغز داریم که می توانند از آسیب نخاعی عبور کرده تا بزرگی این نیرو را کنترل کنند.” او ادامه داد: “این امر اجازه می دهد تا او به طور بالقوه انجام عملکرد چند تکلیفی را بدون نیاز به فکر کردن در مورد حرکت، به همراه داشته باشد.”از آنجا که پیوندهای الکترود باید به پوست چسبیده باشند، دستبند تحریک برای پوشیدن و در آوردن سنگین و کمی کثیف می باشند. بنابراین محققان همچنین یک آستین پارچه ای را که از نظر زیبایی بهتر است را تهیه کرده و اکنون در مطالعات بالینی مورد آزمایش قرار گرفته اند.

در نهایت ، این تیم دوست دارد نسخه ای از سیستم را بسازد که در خانه نیز مانند آزمایشگاه کار کند و بتواند توسط یک کامپیوتر و یا یک تبلت کنترل شود. به گفته گانزر ، آنها توانسته اند موفق شوند تا وسایل الکترونیکی مورد نیاز این سیستم را به ابعادکوچک تبدیل کنند، بنابراین اکنون این سیستم قابل حمل است (تقریباً به اندازه یک نوار VHS) و می توان آن را روی ویلچر سوار کرد. بوخارد قبلاً توانسته است از این سیستم به عنوان بخشی از کارهای روزمره خود در خانه استفاده کند.

گانزر و تیمش امیدوار هستند افراد دیگری که دارای آسیب نخاعی هستند، نیز ممکن است از سیستم این تیم بهره مند شوند، به خصوص از آنجایی که آسیب دیدگی بوخارد بسیار شدید است. وی گفت: “این سیگنال لمسی غیر ادراکی در بسیاری از بیماران وجود دارد.” او ادامه داد:”این احتمال وجود دارد که دیگران آسیب کمتری دیده باشند و به همین دلیل بافت فیبر عصبی اضافی بیشتری دارند.”

منبع

آکادمی آنلاین مهندسی پزشکی و هوش مصنوعی شما را به دنیای یادگیری ماشین و داده کاوی دعوت می‌کند 👌

💯پکیج آموزشی برنامه نویسی متلب 

💯پکیج آموزشی پیاده سازی شبکه های عصبی در متلب

💯شناسایی الگو و یادگیری ماشین فصل یک تا4

💯شناسایی الگو و یادگیری ماشین ( Ensemble learning)

💯پکیج آموزشی پردازش سیگنال EEG مبتنی بر تسک تصور حرکتی