انواع واسط مغز و کامپیوتر(غیرتهاجمی-نیمه تهاجمی-تهاجمی)

واسط مغز و کامپیوتر چیست؟

واسط مغز و کامپیوتر یا به اختصار BCI، به سیستم‌هایی گفته می‌شود که بین مغز و ماشین (devices) ارتباط ایجاد می‌کند. سیستم های BCI شامل سه بخش هستند: دریافت سیگنالهای مغزی، تجزیه و تحلیل سگنالها، تقسیر و ترجمه سیگنالهای مغزی و ارائه دستور به ماشین با توجه به سیگنالهای دریافتی از مغز.

از BCI در کاربردهای مختلفی میتوان استفاده کرد. که مهمترین کاربرد BCI  کمک به بیماران فلج (locked in paralyzed patients) است. به این شکل که BCI یک راه ارتباطی جدید برای این افراد ایجاد می‌کند که میتوانند استقلال عملکردی خودشون را بدست بیاورند و بتوانند با دنیای بیرون ارتباط برقرار کنند.

انواع واسط مغز و کامپیوتر

بسته به اینکه از چه روش برای ثبت سیگنالهای مغزی استفاده می‌شود، BCI را میتوان به سه دسته کلی تقسیم‌بندی کرد. روشهای زیادی برای ثبت سیگنالهای مغزی وجود دارد که به طور کلی میتوان BCI را به سه دسته‌ی غیرتهاجمی (non-invasive)، نیمه‌ تهاجمی (semi-invasive) و تهاجمی (invasive) دسته بندی کرد!

BCI غیرتهاجمی

در این BCI سنسورها روی سطح پوست سر قرار میگیرند تا پتانسیل الکتریکی تولید شده توسط مغز (EEG) یا میدان مغناطیسی(MEG) را ثبت کنند.

BCI نیمه تهاجمی

در این BCI یک صفحه‌ی الکترودی زیر جمجمه و روی قشر مغز قرار داده می‌شود. به این روش ثبت سیگنال مغزی الکتروکورتیکوگرافی ( electrocorticography) یا به اختصار ECoG گفته می شود.

BCI تهاجمی

در این BCI میکرو-الکترودها مستقیما در قشر مغزی قرار میگیرند و فعالیت نورونها را ثبت می‌کنند.

تصویر زیر لایه‌های مختلف مغز و جایی که سیگنالها ثبت می‌شوند را به خوبی نشان میدهد.

غیرتهاجمی: سیگنال EEG توسط الکترودهای قرار گرفته در روی سطح پوست سر(آخرین لایه) ثبت می‌شوند.

نیمه تهاجمی: سیگنال ECoG توسط الکترودهایی که در ناحیه دورا (dura) در آراکنوئید (arachnoid) قرار گرفته اند ثبت می‌شود.

تهاجمی: این سیگنال به طور مستقیم توسط الکترودهای قرار گرفته شده در قشر مغز ثبت می شود.

BCI تهاجمی

در BCI تهاجمی، الکترودها توسط یک عمل جراحی مغز و اعصاب در مغز کاشته می شوند. این  BCIها single unit و یا multiunit  هستند. در single unit (ثبت داخل سلولی) سیگنالهای ارائه شده توسط یک نورون ثبت می شوند و در multiunit (ثبت خارج سلولی) فعالیت چندین نورون همزمان ثبت می‌‌شود.

الکترودها دارای طول‌های مختلف هستند ، به عنوان مثال ، تا 1.5 میلی متر یا 10 . بالاترین کیفیت را این سیگنالها دارند. اما روش دارای چندین مشکل اساسی هستند، به عنوان مثال خطر تشکیل بافت های زخم در این ثبت وجود دارد. بدن به جسم خارجی واکنش نشان می دهد و در اطراف الکترودها بافت ایجاد می‌کند ، که باعث خراب شدن کیفیت سیگنال می‌شود. و برای ثبت های طولانی مدت مناسب نیستند. یا سلول از بین میره و یا اون بافتهای دور الکترودها ضخیم تر می‌شوند.

 از آنجا که جراحی مغز و اعصاب می تواند یک فرآیند پرخطر و پرهزینه باشد ، هدف BCI تهاجمی عمدتا بیماران نابینا و فلج است.

BCI نیمه تهاجمی

ECoG

الکتروکورتیکوگرافی از الکترودهایی که روی سطح مغز قرار می‌گیرند برای ثبت فعالیت الکتریکی قشر مغز استفاده می‌کند. این روش برای اولین بار در سال 1950 در موسسه مغز و اعصاب مونترال استفاده شد. به این روش نیمه تهاجمی گفته می‌شود  ولی همچنان نیاز است که جراحی کرانیتومی (عمل جراحی که در آن جمجمه برای قرار دادن الکترودها شکافته می‌شود) انجام شود تا الکترودها روی سطح مغز قرار بگیرند. برای همین این روش تنها زمانی که به دلایل پزشکی(مثل صرع) ضرورت داشته باشد استفاده می‌شود.

الکترودها ممکن است در خارج از ماده دورا (اپیدورال) یا در زیر ماده دورا (ساب دورال) قرار بگیرند. الکترودهای نواری یا شبکه‌ای ناحیه وسیعی از قشر را پوشش می دهند (از 4 تا 256 الکترود) ، و طیف وسیعی از مطالعات شناختی را ممکن می‌سازند.

ویژگیهای مثبت در مورد ECoG

• رزولوشن مکانی بالا
• مقام در برابر نویز (سیگنال به نویز بالا)
• ریسک بالینی پایین و پایداری در ثبتهای بلندمدت
• دامنه بالا

رزولوشن مکانی

به خاطر اینکه در ECoG الکترودها زیر جمجمه قرار میگیرند، روزلوشن مکانی بالاتری نسبت به EEG دارند و نیاز نیست که فعالیت الکتریکی تولید شده مغز از جمجمه عبور کرده و به الکترودهای روی سطح پوست برسند. روزلوشن مکانی در ECoG در حد میلی متر ولی در EEG سانتی متر است.

مفهوم روزولوشن مکانی در سیگنالهای مغزی

می توانیم به عنوان مثال ، شفافیت یک تصویر را در نظر بگیریم. تصویری با رزولوشن مکانی(فضایی) بالاتر “واضح تر” است. به عبارت دیگر، دقیق‌تر به نظر می‌رسد زیرا از پیکسل های بیشتری در هر اینچ تشکیل شده است و جزئیات بیشتری را نشان می دهد. تصویری با رزولونش مکانی کمتر ، به دلیل اینکه از پیکسل های کمتری در هر اینچ تشکیل شده ، وضوح کمتری دارد و یا تارتر به نظر می رسد. روزولوشن مکانی بهتر به ما امکان می دهد با دقت بیشتری درک کنیم که از کجا سیگنال می آید. در EEG ، هنگامی که سیگنال الکتریکی از جمجمه عبور می کند ، به دلیل رسانایی کم استخوان‌ها، ضعیف می شود.

مقاوم در برابر نویز

سیگنال ECoG تحت تاثیر نویزها و آرتفیکتهایی از قبیل EMG(الکترومایوگرافی ناشی از حرکت عضلات) ، EOG (الکتروکولوگرافی  ناشی از حرکت چشم) قرار نمیگیرد!

ریسک بالینی کمتر

آرایه الکترودها نیازی نسیت که وارد قشر مغزی شوند، و این باعث میشود که نسبت به ثبت‌های تهاجمی ایمن تر باشند.

دامنه بالاتر

دامنه سیگنال ECoG در رنج بین 50 تا 100 میکروولت هست.

BCI غیرتهاجمی

تکنیکهای غیرتهاجمی زیادی برای مطالعه مغز وجود دارد که در بین آنها EEG به خاطر هزینه پایین سخت افزاری و قابلیت جابجایی دستگاه EEG، بسیار رایج هست.

روشهای زیر جزء روشهای غیرتهاجمی هستند که بعدا در یک پست جدا به طور مفصل در مورد مزایا و معایب این روشها صحبت خواهیم کرد.

• MEG magnetoencephalography
• PET positron emission tomography
• fMRI functional magnetic resonance imaging
• fNIRS near-infrared spectroscopy
• EEG Electroencephalography

در شکل زیر میتوان انواع روشهای ثبت فعالیت مغز را براساس رزولوشن مکانی و زمانی مشاهده کرد.