مردی که رکورد بیشترین استفاده از واسط مغز-کامپیوتر را دارد


در سال 2004  ناتان کوپلند (Nathan Copeland) در یک صانحه تصادف از سینه به پایین فلج شد به طوری که نمیتوانست اندام خود را حس بکند. کوپلند در سال 2014 به تحقیقی که دانشگاه پیتسزبرگ برای بیمارانی که دچار ضایعه نخاعی جدی بودند انجام میداد پیوست. این آزمایش امکان برگرداندن  برخی از تواناهایی که این بیماران از دست داده بودند را توسط واسط مغز و کامپیوتر (BCI) مورد مطالعه قرار میداد. کوپلند بلافاصله در این آزمایش اسم نویسی کرد، اگرچه این کار نیاز به جراحی مغزی داشت و کسی به طور دقیق نمیدانست که این دستگاه چه مدتی کارآمد خواهد بود. “این جمله را امیلی برای WIRED مینویسد: “کوپلند در حال جشن گرفتن هفت سال و سه ماهگی استفاده از این دستگاه است و میگوید که مطمانا  دوباره این کار را انجام خواهد داد.”

دستگاه هایی که به انسان ها امکان کنترل کامپبوتر ها و بازو های مصنوعی را میدهد. اما کسی نمیداند چه مدت زمانی آنها دوام دارند و چه زمانی نیاز به بهبود دوباره دارند.

ناتان کوپلند خود را یک آدم مکانیکی میداند.

کوپلند 36 ساله به مدت هفت سال و سه ماه با یک واسط مغز و کامپیوتر زندگی کرده است. تا به حال این اولین مورد بود که فردی به این مدت ایمپلنت داشته باشد. 4 آرایه الکترودی هر کدام به اندازه پاک‌کن یک مداد، پاسخ های نورونی کوپلند را به دستوراتی تبدیل میکردند که به کوپلند اجازه میداد تا دستگاه های بیرونی مثل کامپیوتر، بازی های ویدیویی و یک بازوی روباتیک را فقط با فکر کردن به آنها کنترل کند.

کوپلند میگوید:

هنگامی که شروع کردم محققین به من گفتند که احتمالا این واسط مغز و کامپیوتر به مدت پنج سال باقی می ماند و این مدت زمان بر اساس داده های میمون بدست آمده بود و هیچ انسانی تا به حال این کار را انجام نداده بود.

جالب است بدانید که ایمپلنت کوپلند هنوز هم کار میکند و هیچ اثر جانبی بزرگی نداشته است و این خود یک اتفاق بسیار خوشحال کننده و امید بخش برای این حوزه میباشد. این اتفاق نشان دهنده پیشرفت دستگاه های آزمایشگاهی واسط مغز و کامپیوتری هست که از سال 1960 تا الان در حال توسعه بوده اند و بسیار به حالت قابل استفاده و تبلیغاتی آن در جامعه برای افرادی که دچار ضایعات نخاعی جدی هستند نزدیک شده اند.

Nathan Copeland controls a tablet using just his thoughts.

جین هوگینز رییس آزمایشگاه مغزو کامپیوتر دانشکاه میشیگان ایالات متحده در این باره می گوید در مرز استفاده از این واسط های مغز و کامپیوتر به صورت عملی قرار داریم.

اما هنوز یک سوال اساسی و مهم درباره دوام بلند مدت آرایه های ایمپلنت شده در مغز مطرح هست، چه مقدار کارایی و عملکرد آنها در طول زمان کاهش میابد و چگونه میتوان آنهارا بهبود بخشید.

هاگینز در  این باره میگوید:

بسیار سخت و ناخوشایند هست که بعد از سال ها عملکرد بازیابی شود و بعد از مدتی دوباره از دست برود. و همیشه این نگرانی درباره دستگاه های ایمپلنت شده وجود دارد که نیاز به بازنگری و خدمات داشته باشند.

کوپلند 4 آرایه ایمپلنت شده در مغز خود داشت که در سال 2015 توسط عمل جراحی کار گذاری شده بودند، دو عدد این الکترود ها در بخشی از مغز که کنترل عملکرد های حرکتی را به عهده داشتند، و دو عدد دیگر در بخشی از مغز که عهده دار پردازش اطلاعات حسی بود قرار داشتند.

به این آرایه ها، آرایه های یوتا (Utah arrays) گفته می شود. این آرایه ها از سیلیکن سخت درست شده اند و کمی شبیه دندانه‌های ریز شانه هستند. یک آرایه استاندارد، یک محیط مربعی با حدود 100 سوزن است که هرکدام طول حدودا یک میلی متر و با آهن رسانا پوشانده شده اند. به دلیل اینکه نورون ها هنگام ارتباط با یکدیگر میدان های الکتریکی تولید میکنند، دانشمندان میتوانند از این آرایه ها برای ثبت فعالیت صدها نورون مجاور استفاده کنند.

برای ساخت واسط مغز و کامپیوتر، محققان باید سیگنال های عصبی که از نورن ها دریافت میشوند را به دستورات دیجیتالی تبدیل کنند به طوری که به کسی که این ایمپلنت را انجام داده توانایی حرکت یک بازو یا کار با یک کامپیوتر را بدهد. سیستمی که کوپلند از آن استفاده میکرد شامل یک آرایه ایمپلنت شده در مغز، یک کابل که از یک بخش دایره ای شکل در روی سر کوپلند منشعب میشد و به یک دستگاه خارجی متصل میگشت که وظیفه تقویت سیگنال های عصبی مغزی کوپلند را به عهده داشت و یک کامپیوتر که توسط نرم افزار، سیگنالها را رمز گشایی میکرد.

ریچارد نورمن استاد مهندسی بیولوژیکی در دانشگاه یوتا در سال 1980  هنگامی که قصد یافتن راهی برای ذخیره سازی بینایی را داشت آرایه یوتا را ساخت و توسعه داد. از آن زمان این آرایه ها به استاندارد طلایی در مطالعات واسط مغز و کامپیوتر تبدیل شدند.

الکترودهای آرایه ای یوتا

مت انگل مدیر عامل شرکت مبتنی بر واسط مغرو کامپیوتر در تگزاس ایالات متحده  اینگونه میگوید:

کل این حوزه بر پایه آرایه های یوتا ساخته شده است، این واقعیت که ما مدت زیادی روی دستگاهی که در دهه های 80 و 90 طراحی شده بود کار کردیم نشان میدهد که چقدر از زمان خود جلوتر بوده ایم.

الکترودهای آرایه ای یوتا

در سال 2004 مت نگل اولین فرد فلج بود که ایمپلنت آرایه های یوتا را انجام داد، این اتفاق این قابلیت را به او میداد که بتواند نشانگر یک کامپیوتر را جابه جا کند، با یک تلویزیون کار بکند، ایمیل هایش را بررسی بکند و یک دست مصنوعی را باز و بسته بکند. ایمپلنت نگل بعد از یکسال طبق پروتکل آزمایشی که در آن شرکت کرده بود خارج شد.

در حال حاضر بیش از 30 نفر در جهان در این مطالعات از واسط مغز و کامپیوتر که در مغز آنها ایمپلنت شده استفاده میکنند. ایان بورخارت رکورد طولانی ترین ایمپلنت واسط مغز و کامپیوتر را داشت تا زمانی که در سال 2021 ایمپلنت او بعد از اتمام مطالعات تحقیقاتی اش خارج شد.

با توجه به اینکه تعداد کمی از افراد توسط این دستگاه ها مورد بررسی قرار گرفتند، میزان طول عمر این دستگاه ها هنوز نامعلوم است. تا به اینجا آرایه های یوتا به مدت ده سال در مغز میمون طول عمر داشتند، رابرت گانت یکی از مهندسان دانشگاه پیتسزبرگ و عضو تیم محققان کیس تحقیقاتی کوپلند درباره تحقیق اینگونه میگوید:

آرایه های ایمپلنت شده کوپلند هنوز کار میکنند اما نه به خوبی آنگونه که در سال اول ایمپلنت شده بودند، گانت درباره بدن اینگونه اظهار نظر میکند که:

بدن محیطی بسیار حساس برای قرار دادن الکترودها و سیستم های مهندسی درون آن است، به طوری که بدن به صورت تهاجمی برای رها شدن و حذف این دستگاه ها تلاش میکند.

در تصویر زیر واکنش مغز به الکترود کاشته در هفته های مختلف به خوبی نشان داده شده است.

واکنش مغز به الکترود کاشته در هفته های مختلف

منبع تصویر

آرایه های ایمپلنت شده میتوانند باعث یک پاسخ سیستم ایمنی در بافت عصبی که الکترود ها در آن قرار دارند بشوند. مطالعات نشان داده است که تورم ناشی از کاشت الکترود ها میتواند باعث کاهش کیفیت سیگنال و یا ایجاد بافت زخمی در اطراف ناحیه ایمپلنت بشود که این پدیده برروی قابلیت الکترود ها برای ثبت سیگنال از نورون های اطراف تاثیر میگذارد. هرچه اطلاعاتی که یک واسط مغز و کامپیوتر توسط نورون ها تفسیر میکند کمتر باشد، تاثیر پذیری کمتری در تبدیل دستورات عملکردی خواهد داشت.

رویکردی که دانشمندان برای باقی ماندن ایمپلنت ها برای مدت طولانی تر در نظر دارند بویسله آزمایش مواد مختلف است. آرایه های الکترودی یوتا توسط پاریلی، که یک پلیمر محافظت کننده پوششی مورد استفاده در دستگاه های پزشکی است ایزوله شده اند، از ویژگی های پریلین قابلیت دوام و تاثیر پذیری بسیار کم توسط رطوبت است. اما این ماده هم در طول زمان قابلیت خود را از دست میدهد دچار پوسیدگی یا ترک میشود.

فلوریان سولز بیچر یکی از بنیان گذاران و مدیران شرکت نوروتک که آرایه های یوتا را تولید میکند بیان کرده است که شرکتش در حال تست کردن آرایه ای است که پوشیده شده ازپاریلین و سیلیکن کربید که در حدود 100 سال به عنوان ماده ای صنعتی به کار گرفته می شده است.

او بیان میکند که مدت زمان دوام این محصول را مورد بررسی قرار داده اند به طوریکه این مدت زمان به 30 سال نیز میرسد. و گفته شده که دیتا های مقدماتی از حیوانات در حال حاضر موجود است، اما تست انسانی واقعی هنوز انجام نشده است و انجام این تست مشروط به پاسخ بدن انسان به فرمول ساخته شده جدید است.انعطاف پذیر کردن الکترود ها میتواند به کاهش ایجاد زخم کمک کند.

شرکت انجل در حال ساخت یک ایمپلنت مشابه ساخت  آرایه های یوتا می باشد که دارای الکترود های نازک تری است و آسیب کمتری به بافت میزند.

برخی از محققان از ماده های نرم تری که قابلیت تلفیق بهتر با مغز را دارند به جای الکترود جامد و سخت یوتا استفاده میکنند. گروهی در موسسه تحقیقاتی ام آی تی در حال آزمایش با  پوشش های هایدروژل هستند که این هایدروژل ها دارای قابلیت انعطاف بسیار شبیه مغز میباشند.

دانشمندان در دانشگاه پنسیلوانیا در حال توسعه الکترود های زنده ای هستند که بسیار شبیه تار موی انسان است و دارای بافتی است که شامل نورون ها و فیبر های عصبی که توسط سلول های بنیادی تولید شدند.

 

اما این راهکار ها نقاط ضعفی نیز همراه داشت، گانت در این باره میگوید:

فرو کردن یک چیز سخت در بافت نرم بسیار آسان تر از فرو کردن چیزی نرم در محیط نرم دیگری است.

رویکرد دیگر بدین گونه هست که ایمپلنت هارا کوچک تر انجام دهند در نتیجه حالت تهاجمی کمتری خواهد داشت. برای مثال محققان در حال تست نوروگرینز ها هستند که اینها تراشه هایی بسیار ریز و نازک به اندازه دانه های شن هستند که به طور فرضیه محور قابلیت پوشش سرتاسر سطح کورتکس را دارا هستند.

اما تا به حال هیچ کس آنهارا در مغز انسان کار نگذاشته اند، بلکه این روش تنها در موش هایی تست شده که بخش جمجمه آنها برداشته شده بود.

ایمپلنت آرایه ای یوتای از تعدادی از شرکت کنندگان درآورده شد و مجددا جایگذاری شده بود، اما جراحی های متعدد ایده آل به نظر نمیرسد به دلیل اینکه در هر یک از این جراحی ها ریسک عفونت ویا خونریزی در محل ایمپلنت وجود دارد.

گانت بیان میکند که جراحان احتمالا یک ایمپلنت جدید را دقیقا در محل ایمپلنت قبلی کار نمیگذارند به خصوص هنگامی که رخم در محل ایمپلنت ایجاد شده باشد، اما مطمئن شدن از اینکه جایگزینی در محل درستی قرار میگیرد بسیار مهم است به دلیل اینکه ایمپلنت کردن در مکان اشتباه باعث نقض و اشکال در عملکرد واسط مغز و کامپیوتر می شود.

گانت اظهار نظر دیگری نیز دارد که میگوید:

قابلیت ارتقا بهتر است برای المان های خارجی واسط مغز و کامپیوتر مانند پردازنده یا نرم افزار باشد، در نتیجه بیمار در معرض جراحی های مکرر قرار نگیرد.

مردی که رکورد استفاده از واسط مغز-کامپیوتر را دارد

اما در واقعیت المان خارجی بسیاری از واسط های مغز و کامپیوتر از درجه ریسک بالاتری در ایمپلنت مغزی برخوردارند. بخش دایره ای مانندی که در روی سر قرار میگیرد باعث عفونت میشود، اما حضورش بسیار برای مرتبط کردن آرایه الکترودی ایمپلنت شده و کامپیوتر خارجی حیاتی است.

در حال حاضر کوپلند و دیگر بیماران برای استفاده از واسط مغر و کامپیوتر خود باید ارتباط خود را با سیستم توسط بخش دایره مانند (پدال ها) برقرار بکنند. محققان در تلاشند کابل هارا از این سیستم ها حذف بکنند. در مورد کیس کوپلند ، میزان آزار این کابل ها در مقابل عملکرد هایی که این واسط های مغز و کامپیوتر به او میدهند ناچیز به شمار میرود . رویکرد به گونه ای است که سیستم های آبنده بی سیم باشند و به انسان های فلج قابلیت های گسترده تری را بدهند.

منبع


دیدگاه ها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *