نقشه بردای مغز با اولتراسوند: Caltech واسط جدید مغز و کامپیوتر

یک روش کم تهاجم، برای رمزگشایی اهداف مغز

هنگامی که در حال مطالعه این متن هستید، در مغز شما چه اتفاقی می‌افتد؟ به عبارت دیگر، کدام مناطق از مغز شما فعال هستند، کدام سلول‌های عصبی با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند و چه سیگنال‌هایی را به عضلات شما ارسال می‌کنند؟

نویسنده: امیرضا جهانی

نقشه برداری از فعالیت های عصبی مرتبط با رفتار ، هدف اصلی دانشمندان علوم اعصاب در ایجاد واسط های مغز-کامپیوتر می‌باشد. این موضوع به واسطه دستگاه‌هایی است که فعالیت‌های مغز را می‌خوانند ، آنها را تفسیر میکنند و به دستورالعمل‌هایی جهت کنترل ماشین تبدیل می‌کنند. اگر چه این موضوع مانند یک داستان علمی تخیلی به نظر می‌رسد، اما واقعیت این است که واسط مغز-کامپیوتر می‌تواند در ایجاد ارتباط بین یک فرد فلج با یک بازوی رباتیک، موثر باشد. که در این روند، دستگاه فعالیت و اهداف عصبی شخص را تفسیر کرده و متقابلا بازوی رباتیک را حرکت می دهد.

یک محدودیت عمده در ایجاد واسط مغز-کامپیوتر این است که، دستگاه‌ها برای خواندن فعالیت‌های عصبی به جراحی مغزی، از نوع تهاجمی، نیاز دارند. اما اکنون در Caltech یک گروهی توانسته‌اند تا نوع جدیدی از واسط مغز و ماشین را با حداقل تهاجم ایجاد کنند، تا فعالیت های مغزی‌ای که مربوط به برنامه حرکتی است را تحلیل کند. با استفاده از فناوری اولتراسوند عملکردی (fUS)، می‌توان فعالیت مغز را از مناطق دقیق در اعماق مغز، با وضوح 100 میکرومتر ترسیم کرد. لازم به ذکر است که اندازه یک نورون منفرد تقریبا 10 میکرومتر می باشد.

فناوری جدید fUS، گامی اساسی در ایجاد واسط مغز و ماشین کم تهاجم و در عین حال با توانایی بالا می باشد.

سامنر نورمن، عضو فوق دکترا در آزمایشگاه آندرسن و همچنین نویسنده اول این مطالعه جدید می گوید: “شکل‌های تهاجمی از واسط مغز و ماشین می‎تواند عمل حرکتی را به افرادی که، قبلا به دلیل بیماری و یا آسیب عصبی آن را از دست داده‌اند، برگرداند.” وی ادامه داد: “متاسفانه فقط تعداد معدودی از افراد که شدیدترین نوع فلجی را دارند، واجد شرایط بوده و تمایل به نصب الکترود در مغز خودشان هستند. فناوری fUS یک روش جدید و فوق العاده هیجان انگیز برای ثبت فعالیت دقیق مغز، بدون آسیب رساندن به بافت مغز می‌باشد. ما محدودیت‌های موجود در تصویربرداری عصبی اولتراسوند را کنار زدیم و از نتیجه آن که باعث می‌شود حرکت مورد نظر را پیش‌بینی کند، بسیار هیجان زده شده‌ایم. جالب‌ترین نکته این است که fUS یک تکنیک جدید و با پتانسیل بسیار زیاد است. این فقط اولین قدم ما در به ارمغان آوردن BMI با عملکردی بالا، تهاجم کمتر و همچنین برای افراد بیشتری می‌باشد.

مقاله‌ای در توصیف این اثر در ژورنال Neuron در 22 مارس 2021 منتشر می‌شود.

به طور کلی، تمام ابزارهای اندازه‌گیری فعالیت‌های مغزی، دارای یک سری اشکالات هستند. الکترودهای کاشته شده (الکتروفیزیولوژی) می‌توانند به طور دقیق فعالیت را در سطح سلول‌های عصبی اندازه‌گیری کنند، اما می‌دانیم که این الکترودها باید در مغز کاشته شوند. تکنیک‌های غیر تهاجمی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI)، می‌توانند از کل مغز تصویربرداری کنند اما به ماشین آلات بزرگ و گران قیمت نیاز دارند. الکتروانسفالوگرافی (EEG)، نیازی به جراحی ندارد اما تنها می‌تواند فعالیت را در وضوح کم اندازه گیری کند.

اولتراسوند با انتشار پالس‌هایی با فرکانس بالا و اندازه گیری چگونگی انعکاس این لرزش های صوتی در سراسر ماده، مانند بافت های مختلف بدن انسان، کار می کند. صدا از طریق بافت ها با سرعت های مختلف حرکت می کند و در مزرهای بین بافت ها بازتاب می شود. این روش عموماً برای گرفتن عکس از جنین در رحم و همچنین برای سایر عکس های تشخیصی استفاده می شود.

اولتراسوند همچنین می‌تواند حرکت داخلی اندام‌ها را تشخیص دهد. به عنوان مثال، گلبول‌های قرمز، با نزدیک شدن به منبع امواج اولتراسوند، در سرعت افزایش و با از بین رفتن منبع این امواج کاهش می‌یابند. اندازه‌گیری این پدیده به محققان این امکان را داد تا تغییرات جزئی در جریان خون مغز تا 100 میکرومتر (در مقیاس عرض موی انسان) را ثبت کنند.

Shapiro عضو هیئت علمی وابسته به موسسه چِن، می گوید: “هنگامی که بخشی از مغز فعال‌تر می‌شود، افزایش جریان خون در آن ناحیه مشاهده می‌شود. یک سوال کلیدی در این کار وجود داشت و آن این بود، که اگر ما تکنیکی مانند اولتراسوند عملکردی داشته باشیم که تصاویری با وضوح بالا از پویایی جریان خون به مرور زمان ارائه دهد، آیا اطلاعات کافی از آن تصویربرداری برای رمزگشایی مواردی مفید در مورد رفتار وجود دارد؟” او ادامه داد:”پاسخ این سوال، بله است. این روش تصاویر مفصلی از پویایی سیگنال‌های عصبی در منطقه هدف ما تولید می‌کند که با سایر تکنیک‌های غیر تهاجمی، مانند fMRI قابل مشاهده نیست. ما سطحی از جرئیات را که به الکتروفیزیولوژی نزدیک می‌شود را توسط روشی که نیمه تهاجم است تولید کردیم.”

این همکاری از زمانی آغاز شد که Shapiro از Mickael Tanter، پیشگام در اولتراسوند عملکردی و مدیر فیزیک پزشکی پاریس (دانشگاه ESPCI پاریس و دانشگاهLettres ،Inserm (CNRS، برای برگزاری یک سمینار در Caltech در سال 2015 دعوت کرد. دانشمند فوق دکترا که اکنون استادیار دانشگاه UC Riverside است، در این سخنرانی شرکت کرد و پیشنهاد همکاری داد. سپس Shapiro، Andersen و Tanter  کمک مالی NIH BRAIN Initiative را برای پیگیری تحقیقات دریافت کردند. این پروژه در Caltech توسط Norman ، همکار دکترای سابق آزمایشگاه Shapiro، David Maresca (استادیار فعلی دانشگاه صنعتی Delft) و Christopoulos انجام شد. همراه باNorman ، Maresca و Christopoulos نویسندگان اصلی این مطالعه جدید هستند.

این فناوری با کمک پستانداران غیرانسانی که به آنها آموزش داده شده بود تا کارهای ساده‌ای همچون حرکت چشم یا بازو در جهات خاص را انجام دهند، توسعه داده شد. پس از تکمیل وظایف توسط پستاندارن، fUS فعالیت مغز را در قشر جداری خلفی (PPC)، منطقه‌ای از مغز که درگیر برنامه‌ریزی عمل حرکت است، را اندازه‌گیری کرد. آزمایشگاه آندرسن PPC را برای دهه‌ها مورد مطالعه قرار داده و پیش از این با استفاده از الکتروفیزیولوژی، نقشه فعالیت مغز را ایجاد کرده است. برای تأیید صحت fUS، محققان فعالیت تصویربرداری مغز از fUS را با داده های دقیق الکتروفیزیولوژی که قبلاً به دست آمده بود، مقایسه کردند. سپس، از طریق پشتیبانی از مرکز واسط مغز و ماشین T&C Chen در Caltech، تیم قصد بر این داشت تا ببیند که آیا میتوان از تغییرات وابسته به فعالیت در تصاویر fUS، برای رمزگشایی اهداف نیاکان استفاده کرد یا خیر. سپس داده‌های تصویربرداری اولتراسوند و وظایف متناظر، توسط یک الگوریتم یادگیری ماشین پردازش شد. این الگوریتم یاد گرفت تا تشخیص دهد که چه الگوهایی از فعالیت مغز با چه وظایفی ارتباط دارد. پس از یادگیری این الگوریتم، داده های جمع‌آوری شده اولتراسوند، در زمان واقعی از نخستی‌های غیر انسانی ارائه شد. این الگوریتم ظرف چند ثانیه پیش‌بینی کرد که پستاندار غیرانسانی، چه رفتاری را قرار بود انجام دهد. این رفتارها، حرکت چشم، جهت حرکت به سمت چپ و راست و همچنین زمان انجام حرکت را شامل می‌شد.

Maresca که در زمینه تصویربرداری اولتراسوند مهارت و تجربه زیادی دارد می‌گوید: “اولین نقطه عطف، نشان دادن این موضوع بود که اولتراسوند می‌تواند سیگنال‌های مغزی مربوط به تفکر یک حرکت فیزیکی را دریافت کند.” وی ادامه داد: “تصویربرداری اولتراسوند عملکردی قادر به ضبط این سیگنال ها با ده 10 برابر حساسیت بیشتر و وضوحی بهتر از MRI عملکردی است. این یافته، هسته اصلی موفقیت در واسط مغز و ماشین، بر اساس اولتراسوند عملکردی می‌باشد.”

همچنین Andersen بیان کرد که: “واسط‌های فعلی مغز و ماشین که دارای وضوح بالا هستند، از آرایه‌های الکترودی تشکیل می‌شوند که نیاز به جراحی در مغز دارند. روند جراحی شامل باز کردن لایه دورا، غشای فیبری قوی بین جمجمه و مغز، و کاشت الکترودها به طور مستقیم در مغز می‌باشد. اما سیگنال‌های اولتراسوند می توانند از لایه دورا و مغز بصورت غیر تهاجمی عبور کنند. این درصورتی است که تنها فقط یک روزنه کوچک و شفاف اولتراسوند باید در جمجمه کاشته شود. این جراحی به میزان قابل توجهی دارای تهاجم کمتری نسبت به کاشت الکترودها در سطح مغز می باشد.”

اگرچه این پژوهش در پستانداران غیر‌انسانی انجام شده است، اما یک همکاری با دکتر Charles Liu، جراح مغز و اعصاب در USC، به منظور مطالعه این فناوری با داوطلبان انسانی در حال شکل‌گیری است. داوطلبانی که به دلیل آسیب‌های مغزی بخشی از جمجمه آنها حذف شده است. از آنجایی که امواج اولتراسوند می توانند بی تاثیر از این روزنه های صوتی عبور کنند، می‌توان بررسی کرد که اولتراسوند عملکردی چگونه می‌تواند فعالیت مغزی در این افراد را اندازه گیری و رمزگشایی کند.

منبع