مقدمه ای بر واسط مغز و کامیپوتر

واسط مغز و کامپیوتر(BCI) چیست؟

BCI مخفف کلمه انگلیسی Brian-Computer-Interface است که بین مغز و کامپیوتر نقش راه ارتباطی را دارد.

تعریف سنتی BCI

 هدف فناوری BCI این است که یک راه ارتباطی جدید برای افراد معلول (فلج) ایجاد کند به طوری که افراد هیچ وابستگی‌ای به کنترل عضلات نداشته باشند.  (Wadsworth Center)

تعریف کتاب  Elizabeth Winter Wolpaw درمورد BCI

BCI یک سیستم عصبی مرکزی (CNS) با خروجی جدید فراهم می کند که نه عصبی عضلانی و نه هورمونی است. BCI سیستمی است که فعالیت سیستم عصبی را اندازه گیری می کند و آن را به خروجی مصنوعی تبدیل می کند که میتواند خروجی طبیعی CNS را جایگزین (replace) ، بازگرداندن (restore) ، تقویت (enhance) ، مکمل (supplement) یا بهبود (improve) دهد و در نتیجه، تعاملات بین CNS و محیط داخلی و خارجی را تغییر می دهد (در ادامه به همراه شکل توضیح بیشتری خواهیم داد).

نقاشی فوق در سال  1938 هربرت جاسپر برای تبریک تعطیلات به هانس برگر فرستاد. این رندر اولیه از چیزی است که در حال حاضر  ما آنرا واسط مغز و کامپیوتر می نامیم.

هانس برگر، استاد روانپزشکی دانشگاه Jena در آلمان، برای اولین بار  کشف کرد که سیگنال های الکتریکی تولید شده توسط مغز انسان را میتوان از پوست سر ثبت کرد. برگر بعد از 4 سال مطالعه نخستین مقاله از 14 مقاله خود را منتشر کرد که در آن الکتروانسفالوگرافی (EEG) را به عنوان یک ابزار اساسی برای تشخیص بالینی و تحقیق مغز معرفی کرد. در سال 1938، درست زمانی  که کار او شروع به شناخت بین المللی کرده بود، دولت آلمان آزمایشگاه برگر را تعطیل کرده و او را مجبور به بازنشستگی کرد. نقاشی فوق را هربرت جاسپر، عصب شناس جوان آمریکای شمالی به برگر برای تبریک سال نو فرستاد. هر چند تصویر یک تصور خیالی از آنچه که ما bci را می شناسیم هست، ولی نشان میدهد که در آن زمان جاسپر به این پی برده بود که میتوان از سیگنالهای EEG میتوان برای ارتباطات استفاده کرد.

دستگاه عصبی مرکزی(central nervous system )

دستگاه عصبی مرکزی یا سامانه عصبی مرکزی بزرگترین بخش دستگاه عصبی است و دربرگیرنده مغز و طناب نخاعی است. مغز و طناب نخاعی توسط سازه‌های استخوانی و غشایی محافظت می‌شوند. مغز در محفظه درونی جمجمه نگهداری می‌شود و از مخ، مخچه و ساقه مغز تشکیل می‌گردد. رشته‌های عصبی مربوط به سامانه عصبی مرکزی، رشته‌های عصبی طناب نخاعی و مغزی هستند. دستگاه عصبی مرکزی را می‌توان به دو بخش مراکز زیرین (دربرگیرنده طناب نخاعی و ساقه مغز) و بالایی مغز بخش کرد. مراکز زیرین با مغز از راه رشته‌های عصبی در پیوند هستند.

دستگاه عصبی مرکزی به همراه دستگاه عصبی پیرامونی، نقش بنیادینی در کنترل رفتار انسان دارد. دستگاه عصبی مرکزی پردازش اطلاعات و محاسبه حرکت مناسب در پاسخ به دریافت ورودی از رویدادهای خارج از بدن را بر عهده دارد.

تعریف BCI از دید Christian A. Kothe

BCI سیستمی است که برخی از سیگنالهای حیاتی اندازه گیری شده فرد را دریافت کرده و به صورت زمان حقیقی یا تک ترایال جنبه های انتزاعی حالت شناختی فرد را پیش بینی کند، به عبارت دیگر حالتی که شخص تصور میکند را از روی سیگنالهای EEG تشخیص داده و به دستور تبدیل کند.

به طور کلی ما میتوانیم BCI را به سه زیر مجموعه تقسیم کنیم:

1. Active BCI

یک bci فعال سیستمی است که خروجی های خود را از طریق فعالیت مغز، سیگنالهایی که به طور مستقیم و آگاهانه توسط کابرد کنترل میشوند، بدست می آورد و بدون درنظر گرفتن رویدادهای خارجی، از سیگنالهای دریافت شده برای کنترل یک دستگاهی استفاده می کند.

به عبارت دیگر، در این bci شما با استفاده از افکار داوطلبانه و آگاهانه یک دستگاه را کنترل می کنید، شما روی افکار کنترلی خود تمرکز می‌کنید، برای مثال تصور می‎کنید که می‌خواهید یک عضو بدنتان را حرکت بدهید یا کارهایی شبیه این انجام دهید.

2. Reactive BCI

این BCI اساسا با Active BCI متفاوت است، در این BCI نیز خروجی سیستم از طریق فعالیت مغزی (فعالیتی که شخص داوطلبانه و آگاهانه در مغز خود ایجاد می‌کند) بدست می آید، با این تفاوت که در این حالت نیاز به یک تحریک خارجی است، برای مثال شخص به یک صفحه نمایش خیره می شود و این باعث ایجاد یک سری پتانسیل‌های مرتبط با رویداد در مغز شخص می‌شود و از طریق این پتانسیل‌ها، BCI خروجی مرتبط را تولید می‌کند. برای مثال P300 و  SSVEP سیگنالهایی هستند که در اثر تحریک خارجی اتفاق می افتند(بعدا در مورد این سیگنالها بحث خواهیم کرد).

 3. Passive BCI

روال ثبت این bci کاملا با دو bci قبلی متفاوت است، در این bci کاربر هیچ نقشی در تولید سیگنال eeg ندارد، در واقع این سیگنالهای به صورت آگاهانه و دواطلبانه توسط کاربر ایجاد نمی شود، در این BCI کاربر کارهای روتین روزانه خود را انجام می‌دهد (مثل رانندگی کردن، استراحت کردن و غیره) و سیستم BCI سیگنالهای تولید شده در نتیجه این فعالیتها را ثبت می کند. به همین خاطر چندین Passive BCI به طور همزمان و موازی می‌توانند استفاده شوند که هر کدام هدف متفاوتی دارند.

بخش های مختلف یک سیستم BCI

بخش های مختلف یک سیستم BCI شامل، ثبت فعالیت های مغزی(EEG-Headbox)، تقویت کننده ی سیگنال های مغزی(EEG-Amplifier)، تجزیه و تحلیل سیگنال های مغزی(PC with AD-card) است.

بخش های مختلف یک سیستم BCI مدرن

نحوه ثبت و ارسال سیگنال به کامپیوتر ساده تر شده و استفاده از این نوع سیتسم برای کاربران راحتتر است.  بخش مربوط به پردازش و تحلیل سیگنال تغییر نکرده است.

سوالی که الان مطرح می‌شود این است که چه نوع ورودیهایی را می‌توان به عنوان ورودی به BCI اعمال کرد؟

سیگنالهای الکترونسفالوگرافی

نوار مغزی یا الکتروانسفالوگرافی (Electroencephalography)  یا الکترومغزنگاری، ثبت فعالیت الکتریکی مغز است، این تکنیک شامل اخذ سیگنال توسط الکترودهای سطحی، بهبود سیگنال (معمولاً تقویت و حذف نویز)، چاپ سیگنال و آنالیز آن می‌شود. آنچه روی کاغذ چاپ می‌شود، الکتروانسفالوگرام نامیده می‌شود.

مغز انسان دارای میلیاردها سلول عصبی است. این سلولها برای برقراری ارتباط با یکدیگر و دیگر سلولهای بدن ، پیامهای عصبی رد و بدل می کنند. پیامهای عصبی ماهیت الکتریکی-شیمیایی دارند. در اینجا بیشتر ماهیت الکتریکی پیام های عصبی مدنظر است و به آن سیگنال الکتریکی گفته می شود. جهت ثبت سیگنال های الکتریکی مغز می توان از دستگاه EEG استفاده کرد. این دستگاه با استفاده از الکترودهایی که در سطح سر قرار می گیرند، سیگنال های الکتریکی مغز را ثبت می کند. الکترودها به منظور دریافت سیگنال در مکانهای خاصی از سر قرار می­گیرند. خروجی این الکترودها به ورودی تقویت کننده EEG متصل می شود و پس از انجام تقویت و فیلتر شدن، مورد استفاده قرار می گیرد. لازم به ذکر است که ثبت این سیگنالهای راحت و ارزان است، به همین خاطر از این روش بیشتر استفاده می کنند.

طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک (Functional Near-Infrared Spectroscopy-fNIRS )

در این روش به جای ثبت فعالیت الکتریکی در سطح مغز، تفاوت سطح خون در مغز را اندازه‌گیری می‌شود. طیف‌نگاری کارکردی مادون قرمز نزدیک یا fNIR یا fNIRS یکی از روش‌های نقشه‌برداری از  مغز  است که در آن امواج  مادون قرمز نزدیک به داخل سر تابش می‌شود و پس از تضعیف، مقداری از این نورها خارج می‌شود. نور دریافت‌شده می‌تواند تغییرات پارامترهایی مانند غلظت اکسی هموگلوبین و دئوکسی هموگلوبین را به شکل طیف به ما بدهد. این روش رزولوشن مکانی و زمانی مناسبی ندارد.

سیگنالهای مغزی تهاجمی  از قبیل Microarrays, Neurochips, ECoG

از این روش به خاطر تهاجمی بودن در افراد سالم استفاده نمی‌شود، معمولا در کاربردهای پزشکی برای افراد بیمار استفاده می‌شود و یا کارهای آزمایشگاهی روی حیوانات مثل rat و میمون استفاده می‌کنند.

استفاده از fmri و meg

اف‌ام‌آرآی یا تصویرسازی تشدید مغناطیسی کارکردی  ( Functional Magnetic Resonance Imaging) مشهور به  fmri نوعی روش تصویربرداری در ام آر آی است.

در این روش تصاویری متناوب از مغز در حال فعالیت و سپس در حال استراحت گرفته می‌شود و از یکدیگر بطور دیجیتالی (بکمک نرم‌افزارهایی همانند اف اس ال) تفریق می‌گردند، که حاصل این پردازش عملکرد مغزی در اثر تغییرات جریان خونی در مغز را از لحاظ فیزیولوژیکی نشان می‌دهد.

فیزیولوژی مغز

مغز نیز مانند دیگر ارگان‌های بدن به مقدار ثابتی از اکسیژن برای استفاده در متابولیسم گلوکز نیاز دارد. این مقدار اکسیژن با عناصری در خون که هموگلوبین نامیده می‌شود تولید می‌شوند. تقریباً از سال ۱۹۳۵ نشان دادند که خواص مغناطیسی هموگلوبین به مقدار اکسیژنی که حمل می‌کند بستگی دارد. این وابستگی باعث شده‌است که بتوان با استفاده از MRI ازمیزان فعالیت مغز آگاهی پیدا کرد.

متابولیسم و جریان خون در مغز

واکنش‌های بیوشیمی که پیام‌های عصبی را از طریق پتانسیل عمل و نیز نوروترنسمیترها منتقل می‌کنند، همگی به انرژی نیاز دارند. این انرژی در فرم ATP است، که از گلوکز و در حین فرایند اکسید و فسفری شدن در چرخه kreb  تأمین می‌شود. با هیدرولیز شدن ATP به ADP، انرژی آزاد می‌شود، که می‌تواند باعث به راه اندازی واکنش‌های شیمیایی شود. ایجاد ATP از ADP با فرایندهای اکسیدشدن و فسفری شدن بر اساس نیاز بدن مراقبت می‌شود، بنابراین میزان ذخیره انرژی همواره ثابت می‌ماند. می‌توان گفت سرعت واکنش عمدتاً وابسته به مقدار ADP موجود است. به این معنی است که نرخ مصرف اکسیژن از طریق فرایندهای اکسیدشدن و فسفری شدن یک معیار خوب برای اندازه‌گیری انرژی استفاده شده در آن ناحیه است. اکسیژن مورد نیاز برای متابولیسم در خون تولید می‌شود. از آنجایی که اکسیژن در خون انحلال پذیری خوبی ندارد، پروتیینی به نام هموگلوبین در خون وجود دارد که از قضا به خوبی هم با اکسیژن باند می‌شود. بخش جالب توجه در مورد هموگلوبین وجود اتمهای آهن درآن است، که در یک ساختار ارگانیک باند شده‌است و رنگ خون هم به دلیل همین اتم هاست. وقتی اکسیژن با هموگلوبین ترکیب می‌شود، به آن اکسی هموگلوبین و زمانی‌که اکسیژنی با آن ترکیب نشده‌است داکسی هموگلوبین گفته می‌شود. جهت تأمین میزان انرژی زیادی که برای فعالیت‌های مغز لازم است، میزان اکسیژن و خون ارسالی به مغز بالاست. با اینکه مغز تنها ۲٪ از وزن بدن را دارد، نرخ مصرف اکسیژن در آن ۲۰٪ است و جریان خون آن ۱۵٪ کل مقدار موجود است. جریان خون به ماده خاکستری، که یک ناحیه پر از سیناپس است، ۱۰ برابر ماده سفید مغز در واحد حجم است. درک ضعیفی از نحوه تنظیم جریان خون محلی وجود دارد، اما می‌دانیم که فعالیت‌های الکتریکی محلی باعث افزایش سریع انتخابی جریان خون در آن ناحیه می‌شود. افزایش موضعی در فعالیت عصبی در مغز منجر به اتساع عروق خونی و افزایش جریانCBF می‌شود. افزایش غلظت پتاسیم داخل سلولی به عنوان عاملی که سبب گشاد شدن سرخرگ‌های مغز می‌شود شناخته شده‌است. مطالعات اخیر پیشنهاد کرده‌اند که آزاد شدن پتاسیم توسط نورون‌های فعال از درون سلول‌های گلیا astrocyte منتقل شده و از پایه‌های انتهایی این سلول‌ها به روی رگ‌های خونی آزاد می‌شود. نتایج شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دینامیک پتاسیم در مغز بیان‌کننده این است که آزاد شدن پتاسیم از پایه‌های انتهایی astrocyteها باعث بالا رفتن غلظت پتاسیم با سرعت زیاد و سطوح بالاتری از انتشار پتاسیم از طریق فضای خارج سلولی است، خصوصاً زمانی که محل افزایش پتاسیم از دیواره رگ در فاصله دورتری قرار دارد. بر اساس این یافته‌ها، فرض می‌شود آزاد شدن پتاسیم از پایه‌های انتهایی Astrocyteها نقش مهمی در تنظیم جریان خون مغزی منطقه‌ای در پاسخ به تغییرات در فعالیت‌های عصبی ایفا می‌کند.

تصویربرداری عصبی کارکردی

عکس برداری عصبی کارکردی استفاده از تکنولوژی عکس برداری عصبی برای سنجش وجهه‌ای از عملکرد مغز است که اغلب با نگاهی به درک رابطه میان فعالیت مناطق معینی از مغز و عملکردهای خاص روحی همراه است. اصولاً به عنوان ابزار تحقیقاتی در علوم عصبی شناختی، روانشناسی شناختی، روانشناسی عصبی و علوم عصبی جمعی استفاده می‌شود

MEG یک تکنیک تصویربرداری غیر تهاجمی است که فعالیت مغناطیسی مغز با استفاده از شار مغناطیسی ثبت میکند.  MEG جریانهای داخل سلولی قابل اندازه گیری در خارج از سر که توسط دندریتها تولید میشوند را اندازه گیری میکنند. فرآیندهای فیزیولوژی عصبی جهت تولید سیگنالهای MEG همانند تولید سیگنالهای EEGاست . با این وجود، در حالی که EEG به منابع جریان ثانویه بسیار حساس است، MEG به جریان های اولیه حساس تر است. یکی از مزیتهای MEG این ست که میدانهای مغناطیسی ، توسط میدانهای الکتریکی جمجمه و پوست سر کمتر منحرف میشوند.  در واقع میدان‌های مغناطیسی در هنگام عبور از مغز، جمجمه و پوست سر،  نویز کمتری  می‌گیرند و امکان بررسی دقیق‌تر فعالیت مغزی هم‌زمان با یک عمل شناختی را فراهم می‌کنند.

سیگنالهای دیگری نیز میتوان به عنوان ورودی به سیستم BCI اعمال کرد که در زیر به اختصار آنها را معرفی میکنیم، در بخش های بعدی به طور مفصل در مورد این سیگنالهای صحبت خواهیم کرد.

• Eye tracking
• ECG
• EMG
• EOG

موفق باشید