ايلينا بيتسيك— باحث مبتدئ في مختبر الجامعة لعلم الأعصاب والتقنيات المعرفية
التواصل بين الكمبيوتر والدماغ
واجهة الدماغ والحاسوب هي نظام يتيح التفاعل بين الدماغ والكمبيوتر.يفتح قناة اتصال بين الدماغ والكمبيوتر ويسمح لهم بتبادل المعلومات مع بعضهم البعض. أبسط مثال على ذلك هو توليد أوامر لجهاز خارجي باستخدام نشاط الدماغ. يمكن أن يكون الجهاز الخارجي عبارة عن جهاز كمبيوتر أو تطبيق أو روبوت أو طائرة بدون طيار أو طرف صناعي أو هيكل خارجي أو أي شيء آخر. نطاق هذه الواجهات واسع جدًا.
الجزء الأكثر أهمية في الواجهة هو تقنية تسجيل الإشارات البيولوجية من الدماغ.هناك العديد من التقنيات التي يمكن أن تكونتنطبق في واجهات. يتم تسجيل إشارات النشاط الكهربائي باستخدام مكبر للصوت - مخطط كهربية الدماغ. يتم إرسالها إلى الخادم الذي يعالج هذه الإشارات. هناك واجهات صغيرة جدًا ومدمجة تستخدم التكنولوجيا اللاسلكية. هناك حرفيا شريحة صغيرة واحدة. ولكن إذا كنت تخطط لاستخدام الواجهة في بيئة سريرية (لإعادة التأهيل بعد السكتة الدماغية، على سبيل المثال)، فمن المحتمل أنك تريد أن يكون لديك العديد من القنوات والبيانات الضخمة. تتطلب معالجة البيانات الضخمة الكثير من موارد الحوسبة، لذلك غالبًا ما يتم استخدام جهاز كمبيوتر منفصل مزود ببرامج خاصة. وبعد أن يقوم هذا البرنامج بمعالجة إشارة الدماغ، تتم ترجمتها إلى أوامر لجهاز خارجي، مما يوفر التغذية الراجعة. بدلاً من الشاشة الكلاسيكية، يمكن أن يكون هناك أي شيء: من تطبيق لمراقبة حالتك المزاجية إلى نظام التحكم الآلي.
يمكن تقسيم واجهات الدماغ والكمبيوتر إلى ثلاثة أنواع رئيسية.أولاً، هذه واجهة عصبية نشطةيعني أن المستخدم يتحكم بشكل مباشر وواعي في جهاز أو تطبيق خارجي. الواجهة العصبية هي نشاط الدماغ الذي يولده المستخدم ويقرأه ويعالجه ويحوله إلى أوامر. النوع الثاني هو الواجهة العصبية التفاعلية. في ذلك، لا يتم إنتاج نشاط الدماغ عن طريق الدماغ بوعي، ولكن يتم تحفيزه عن طريق التأثيرات الخارجية - الضوء والصوت والأحاسيس اللمسية والأوامر. على سبيل المثال، الصور أو التحفيز الصوتي الذي يؤدي إلى استجابة معينة في أذهاننا. ولا يمكننا توليد هذه الإجابة بوعي، دون حافز خارجي، لذلك نحن بحاجة إلى نوع من ردود الفعل. تبحث واجهة الدماغ والحاسوب عن هذه الاستجابة لمحفز خارجي في أدمغتنا وتستخدمها لتوليد الأوامر والتحكم في جهاز خارجي أو لتسجيل الملاحظات. النوع الثالث من الواجهة العصبية هو الواجهة العصبية السلبية. الأكثر تعقيدًا وغير مفهوم، لأنه لا يتضمن إصدار أي أوامر لجهاز خارجي ولا يوجد تحكم على الإطلاق. تقع هذه الواجهة عليك بشكل سلبي وتراقب حالتك أثناء أنشطتك اليومية. أي أنك تقرأ، وتعمل، وتقود السيارة، وتقوم الواجهة العصبية بمراقبتك. يمكن استخدامه لتتبع مستوى انتباهك وتركيزك وتعبك وحملك المعرفي، كما يمكنك أيضًا إعطاؤك بعض التعليقات حول حالتك.
إعادة التأهيل العصبي واستخدامات أخرى للواجهات
تتمتع الواجهة العصبية بأهمية اجتماعية كبيرة لتطوير أنظمة إعادة التأهيل المختلفة وتحسين نوعية حياة الأشخاص ذوي الاحتياجات الإضافية.مثل الأشخاص الذين يعانون من متلازمة الانغلاق -لقد فقدوا كل إمكانية الاتصال بالعالم الخارجي، لكنهم احتفظوا في الوقت نفسه بوعيهم؛ هؤلاء أشخاص مشلولون تمامًا ولا يستطيعون التحدث أو الحركة أو حتى تحريك أعينهم. وبالتالي، ليس لديهم خيارات أخرى للتواصل سوى استخدام الواجهات العصبية لقراءة نشاط الدماغ وترجمته إلى أوامر محددة. يمكن أن تكون هذه الأوامر عبارة عن توليد الكلام، والتحكم في التطبيقات المختلفة من أجل الحفاظ على الوظائف اليومية، بالإضافة إلى توفير التواصل الأساسي مع الأشخاص الآخرين. والحالة الأقل خطورة هي الشلل الجزئي. على سبيل المثال، الأشخاص الذين يستخدمون كرسيًا متحركًا والذين لا يستطيعون المشي، أو شلل جزئي مختلف بعد السكتة الدماغية أو نتيجة الإصابة. في حالة الشلل، إذا كان غير قابل للشفاء، فيمكن تحسين نوعية حياة هذا الشخص من خلال تزويده بنوع من الهيكل الخارجي أو جهاز تقويم العظام الذي يمكن التحكم فيه باستخدام واجهة عصبية. يعد هذا أحد أكثر المجالات شيوعًا في تطوير الواجهات العصبية.
التطبيق الأكثر شيوعًا للواجهات العصبية في الطب هو إعادة التأهيل العصبي.هذه فرصة لتسريع عملية إعادة التأهيليستخدم الشخص بعد الإصابة أو السكتة الدماغية التدريب على واجهة "الدماغ والكمبيوتر"، والتي تتضمن دعم النشاط الحركي، أي سلسلة من الحركات التخيلية. هناك العديد من الدراسات التي أظهرت أن مثل هذه الواجهات تعمل بشكل كبير على تسريع وتحسين عملية إعادة تأهيل الأشخاص، واستعادة وظائفهم الحركية المفقودة.
في الآونة الأخيرة ، اخترقت واجهات التواصل بين الدماغ والحاسوب السوق السائدة واكتسبت جمهورًا أوسع.اليوم يمكن شراء الواجهة العصبية على موقع eBayأموال صغيرة، وسوف تكلف أقل من الهاتف الذكي. بادئ ذي بدء، يتم استخدامها للترفيه - في صناعة الألعاب. وفي كثير من الأحيان أيضًا، يتم استخدام الواجهات العصبية لمراقبة الحالات المختلفة - الحالة المزاجية أو مراحل النوم. تساعد الواجهات العصبية للتأمل الإنسان على الاسترخاء وتوجيهه وفقاً لنتائج مراقبة نشاط دماغه. تُستخدم أجهزة مماثلة أيضًا لتطوير أنظمة مختلفة لتدريب المهارات المعرفية - الانتباه أو التركيز أو الحمل المعرفي. وهذا مجال مهم لأنه يمكن استخدامه، على سبيل المثال، في تطوير أنظمة الحمل المعرفي لطياري الطائرات وسائقي الشاحنات.
ما هو الدماغ وكيف يمكنك قياس نشاطه
أنت وأنا دماغنا.يتكون الدماغ من خلايا تسمىالخلايا العصبية. وتتكون كل خلية عصبية من نواة وجسم وعمليات مختلفة تضمن تواصلها مع الخلايا العصبية الأخرى - وهي التشعبات والمحاور العصبية والمحطة الطرفية (استمرار المحور العصبي للتواصل مع الخلايا العصبية الأخرى - "التقنية العالية"). إن الخلية العصبية الواحدة عبارة عن بنية بسيطة إلى حد ما، ولكن هناك مليارات الخلايا العصبية في الرأس. وبالتالي، فإنهم يقومون معًا بإنشاء شبكة ضخمة يمكنها معالجة مجموعات البيانات المعقدة وتوفيرها لنا كأفراد.
الدماغ هو حاسوب عملاق ، أي نظام قادر على معالجة كميات هائلة من المعلومات.تتفاعل الخلايا العصبية مع بعضها البعض بشكل رئيسيطريقتان - الروابط الكهربائية والكيميائية. يتم إنتاج إشارة كهربائية بواسطة خلية عصبية وتنتقل عبر محور عصبي إلى المشابك العصبية (الوصلات بين الخلايا العصبية - "التقنية العالية") لخلية عصبية أخرى. عندما تصل إشارة كهربائية إلى مخرج إحدى الخلايا العصبية، يتم تحويلها إلى بعض الرسائل الكيميائية التي تسمى الناقلات العصبية. ويتم نقلها من مخرجات إحدى الخلايا العصبية إلى مدخلات خلية عصبية أخرى، والتي بدورها تستقبلها وتعالجها وتحولها إلى إشارة كهربائية وتنقلها على طول هذه السلسلة. يمكن للخلية العصبية إما أن تتلقى وتمرير إشارة كهربائية من خلال نفسها، أو إطفاءها، وعدم استقبالها ومقاطعة السلسلة. يشكل أي من أنشطتنا شبكة من الخلايا العصبية التي تومض باستمرار، وتشكل نمطًا معينًا يسمح لنا بمعالجة العديد من الأنواع النشطة من النشاط البشري.
هناك عدة طرق لقياس النشاط الكهربائي للدماغ.أولاً، هذا هو تخطيط الدماغ المغناطيسي،والذي يتضمن قياس المجالات الكهرومغناطيسية التي تنشأ نتيجة النشاط الكهربائي في الدماغ. جهاز MEG هو جهاز كبير يجلس فيه الشخص بلا حراك لأن الأقطاب الكهربائية التي تقرأ المجال المغناطيسي لا توضع على الرأس، ولكنها تقع على مسافة ما منه. إن MEG حساس جدًا للتدخلات الخارجية المختلفة - بما في ذلك المجال المغناطيسي للأرض والمجالات المغناطيسية الأخرى التي يمتلئ بها واقعنا بالكامل. لذلك، لكي يعمل MEG بشكل جيد، يجب وضعه في غرفة محمية. طريقة أخرى هي التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة. هذه تقنية تصوير عصبي تسمح لنا بتصور العمليات التي تحدث في الدماغ. ويستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء لقياس تركيز أوكسي وديوكسي هيموجلوبين. يتكون الجهاز من غطاء متصل به أسطوانات ملاصقة بإحكام لسطح فروة الرأس ومقسمة إلى نوعين - المصدر والكاشف. يصدر المصدر شعاعًا من الضوء في نطاق الأشعة تحت الحمراء. ويمر هذا الضوء عبر الجلد والجمجمة والطبقة العليا من القشرة، أي الدماغ. يمر عبره ويعود إلى سطح فروة الرأس ويتم التقاطه بواسطة الكاشف. علاوة على ذلك، فإن كل ما يمكن رؤيته يحمل معلومات مهمة جدًا عن مستوى الأكسجين في الدم. عندما نقوم بعمل ما، مثل النقر، يكون دمنا في المنطقة الحركية مشبعًا بالأكسجين. يمكننا قياس هذا وتعريفه كنمط. التكنولوجيا التالية هي تخطيط كهربية الدماغ، وهي الأكثر فعالية. يمكن استخدامه في الواجهة العصبية لأنه غير مكلف نسبيًا وبسيط جدًا. ارتديت غطاءً، وقمت بتدوير الأقطاب الكهربائية، وقمت بتشحيمها بالمعجون - وقد نجحت. تركيب EEG - مخطط كهربية الدماغ - هو أيضًا قبعة توضع على رأس الشخص. من الضروري الضغط على الأقطاب الكهربائية بقوة أكبر على رأس الشخص ووضعها بشكل صحيح.
لماذا يتم دمج الواجهات العصبية في الدماغ
مخططات كهربية الدماغ مختلفة.يكتبون إشارات ذات دقة مختلفة ولديهمعدد مختلف من القنوات. تأتي تخطيطات أمواج الدماغ أيضًا في نوعين. في الأساس، هناك EEG الغازية وغير الغازية. يتضمن تخطيط كهربية الدماغ (EEG) الجراحي إجراء عملية جراحية لفتح جمجمتك ووضع أقطاب كهربائية مباشرة على سطح دماغك. ومن الواضح أن هذه التكنولوجيا لا تستخدم في البشر. يتم استخدامه بشكل أساسي في علم الحيوان لدراسة نشاطهم، والذي يشبه إلى حد كبير النشاط البشري. تتمتع إشارة EEG، التي تتم قراءتها مباشرة من سطح القشرة ومجموعة صغيرة جدًا من الخلايا العصبية، بأداء أفضل من التكنولوجيا غير الجراحية. لأنه خالي من الشوائب المختلفة التي تميز تخطيط أمواج الدماغ (EEG).
هناك مناطق تكون فيها الواجهات الغازية مهمة للغاية وهي في الواقع التكنولوجيا الوحيدة التي يمكن أن تخفف من حالة الشخص.على سبيل المثال، هذا هو الصرع.يقوم مختبرنا بدراسة نوع من الصرع يسمى صرع الغياب. هذا هو الصرع الذي لا يرتبط بالنوبات. لا يعاني الشخص من التشنجات أثناء الهجوم، فهو ببساطة ينفصل عن العالم لفترة من الوقت. وهو لا يعلم بذلك، أنه منقطع. وهذه الحالة أيضًا خطيرة جدًا، على الرغم من عدم وجود مظاهر خارجية سوى انفصال الشخص عن الواقع. لأنه قد لا يعلم مثلاً أنه مصاب بالصرع الغائب ويفقد الوعي أثناء القيادة. لذلك، يعد منع كافة الهجمات أمرًا مهمًا جدًا أيضًا، ويمكن للواجهة منعها. عندما يتعرض الشخص لهجوم، أولا، تتم مزامنة إيقاعات الدماغ المختلفة - فمن السهل جدًا اكتشافه. بالإضافة إلى ذلك، يسبق الهجوم نوع معين من النشاط - يمكننا تحديد ما سيحدث بعد ذلك بفترة معينة قبل الهجوم. وعندما تكتشف الواجهة العصبية ذلك، يمكنها إرسال نبضات إلى الدماغ تساعد في قمع هذا الهجوم. وفي الوقت نفسه، فإن الشخص الذي يرتدي هذه الواجهة بشكل منتظم لن يشعر بأي شيء ولن يعلم أنه كان على وشك التعرض لنوبة.
يختلف قناع Neuralink Ilona عن الآخرينواجهات عصبية غازية حيث أن الأقطاب الكهربائية التي تكتب مخطط كهربية الدماغ تقع على خيوط رفيعة جدًا (أرق من شعرة الإنسان) ، وتوجد الكثير من الأقطاب الكهربائية على خيوط واحدة.من الممكن تسجيل ما يصل إلى 3 آلاف قطب كهربائي.هذه كمية هائلة من البيانات. نظرًا لوجودها في القشرة الدماغية، فهي صغيرة جدًا وترسل إشارة من مجموعة صغيرة من الخلايا العصبية. بهذه الطريقة يمكننا التقاط نشاط دقيق للغاية.
تحل تقنية Musk جزئيًا المشكلة الشائعة عند استخدام مجال انتشار EEG غير الغازي (من "قوة المجال الكهربائي" الإنجليزية - "Hi-tech").عندما نكتب مخطط كهربية الدماغ (EEG) غير الجراحي، فإننا نركبهقطب كهربائي على الرأس، ويسجل من مجموعة كبيرة من الخلايا العصبية. يولد مجال طاقة عام . تتداخل المجالات الكهربائية من الخلايا العصبية المختلفة وتتداخل مع بعضها البعض. لذلك عندما نكتب نوعًا معينًا من النشاط، يكون لدينا في الواقع العديد من الأنشطة المختلفة، مما يتعارض مع المعالجة. والمشكلة الكبيرة جدًا في جميع الواجهات الغازية هي أن جسمنا لا يريد إدخال أجسام غريبة فيه.
مخطط كهربية الدماغ غير الجراحي هو مخطط كهربية الدماغ نستخدمه بشكل مستمر.في الأساس، هذه هي الأقطاب الكهربائية التي يتم وضعهاسطح الرأس بغطاء. يسجل كل قطب كهربائي نشاط مجموعة معينة من الخلايا العصبية. يعد موقع الأقطاب الكهربائية مهمًا جدًا لأنه يؤثر بشكل كبير على نتيجة المعالجة.
مخطط كهربية الدماغ هو إشارة كهربائية.ومعالجة هذه الإشارة هي مهمة الفيزياء الإشعاعية.يمكننا استخدام تقنيات التحليل التقليدية لعزل ميزات هذه الإشارة. مهمتنا هي تسليط الضوء على أنماط معينة تتوافق مع هذه الحركة.
الصعوبات الرئيسية في إنشاء واجهات عصبية
لماذا يصعب إنشاء واجهة عصبية؟لأن هذه مهام صعبة للغاية:معالجة مخطط كهربية الدماغ (EEG) وتحديد الأنماط. أنها تتطلب نهجا متكاملا ودقيقا. أولا، لأن كل شخص هو فرد، تماما مثل دماغه. حتى التوائم المتماثلة الزيجوت لها أدمغة مختلفة تمامًا، مثل بصمات الأصابع. لا يمكننا إنشاء نظام عالمي واحد يعمل بنفس الطريقة لجميع الناس. يجب تعديلها ومعايرتها وتغييرها باستمرار للجميع. السبب التالي هو تفاصيل المهمة. يمكن لكل شخص أداء نفس المهمة بشكل مختلف وتجميع الأنشطة المختلفة. يعد وضع أجهزة الاستشعار أيضًا عاملاً بشريًا. في تجارب مختلفة، قد يتم وضع أجهزة الاستشعار بشكل مختلف قليلاً، ولكن هذا مهم جدًا أيضًا، لأنها ستكتب نشاطًا مختلفًا. سبب آخر هو الديناميكيات غير الثابتة للدماغ على جميع المقاييس الزمنية. وهذا يعني أنه يتغير باستمرار على جميع المقاييس الزمنية. يمكننا أن نأخذ قطعة كبيرة من إشارة تخطيط كهربية الدماغ (EEG)، ونقسمها إلى ثوانٍ، وستكون كل ثانية مختلفة. فالأدمغة تتغير باستمرار وتتطور وتتكيف مع بيئتها الخارجية. هناك مشكلة مهمة تتمثل في ارتفاع مستوى الضوضاء في تسجيلات تخطيط كهربية الدماغ (EEG) والمصنوعات اليدوية. لأننا نضع أقطابًا كهربائية على سطح فروة الرأس، وتحتها، بين الجلد والجمجمة، توجد ألياف عضلية تعمل وتتحرك وتشكل نوعًا من التحف الحركية على إشارة تخطيط كهربية الدماغ. بالإضافة إلى ذلك، فإننا نحرك أعيننا باستمرار، ونرمش، وكل هذا يعطي أيضًا توجيهات إلى مخطط كهربية الدماغ (EEG)، والذي لا يكون مرئيًا فقط على القنوات الموجودة على الجبهة، ولكن أيضًا على الجزء الخلفي من الرأس. علاوة على ذلك، ينبض قلبنا. توجد آثار قلبية في مخطط كهربية الدماغ (EEG) لدى جميع الأشخاص تقريبًا. أنها تنشأ من نبض الدم في الأوعية الموجودة تحت الجلد.
هناك طرق رائعة تساعدنا في التخلص من جميع القطع الأثرية.يمكنك إزالة القطع الأثرية أو تصفيتها.هناك طرق تسمح لك بإزالة المكونات المقابلة لنبضات القلب والتأثيرات الحركية للعين وتصفية إشارة EEG في النطاق الذي نحتاجه. بعد ذلك، يتم استخدام تحليل التردد الزمني كطريقة لتحليل الإشارات. نقوم بتقييم طاقة كل إيقاع ونرى أي منها يحتوي على بعض الديناميكيات المرتبطة بالتأثير الذي نبحث عنه. يتضمن تحليل التردد الزمني المويجات، وتحليل فورييه، وما إلى ذلك.
الخطوة التالية هي إنشاء روابط وظيفية بين مناطق مختلفة من الدماغ.عندما نفعل شيئا (نحرك أيدينا،تخيل حركات اليد)، تتفاعل مناطق الدماغ لدينا إما بشكل متزامن أو غير متزامن. أنها تؤثر على بعضها البعض خلال هذا التفاعل. وبناءً على هذه التأثيرات، من الممكن بناء شبكة من الاتصالات الوظيفية التي تصف الاتصالات التي يتم تقويتها وأيها يتم إضعافها، وبناءً على ذلك، يمكننا استخلاص نتيجة حول كيفية بناء نشاطنا ومعالجته بواسطة الخلايا العصبية على نطاق واسع. الدماغ بأكمله. تعد الشبكات العصبية الاصطناعية هي الأكثر واعدة هنا لأنها تعمل بسرعة وتعتمد على نموذج بيولوجي للخلايا العصبية.
تعد إشارة EEG بنية معقدة تحتوي على العديد من المكونات، لكن تعقيدها يتغير بمرور الوقت ويعتمد على ما نقوم به.ومن ديناميكيات هذا التعقيد يمكننا أن نفهم ذلكيحدث، وتقييمه، وتصنيفه وإنشاء نوع من المصنف على هذا الأساس. مثال محدد هو إزالة القطع الأثرية. لنفترض أن لدينا إشارة EEG متعددة القنوات، وهي تُظهر عناصر تسبب التداخل في جميع القنوات تقريبًا. وهي تبدو مثل القطع الأثرية الحركية. تتم إزالتها باستخدام طريقة المكونات المستقلة. وتنقسم كل إشارة إلى عدة مكونات تحتوي على المعلومات الخاصة بها. يحتوي أحدهما على شيء لا نحتاجه في الإشارة، وهو نفس الجهاز الحركي للعين. نحن نأخذها ونرميها بعيدا. نحصل على إشارة نظيفة وأكثر إفادة تحتوي على ما نحتاج إليه. الترشيح هو شيء أساسي.
يمكن ترشيح إشارة واحدة في نطاقات تردد مختلفة.إيقاع ألفا (8-14 هرتز) وإيقاع بيتا (15-30 هرتز) -هذان هما إيقاعا الدماغ، مكونا التردد، اللذان يحتويان على أكبر قدر من المعلومات حول كيفية معالجة الدماغ للنشاط الحركي. إذا أردنا تصنيف الحركات الخيالية أو الحقيقية، فإننا ننتقل إلى إيقاع ألفا وبيتا ونبحث عن نمط عليهما.
العثور على نمط هو مهمة تصنيف.لننظر إلى نمط ما في وسعنااستخدام طريقة تحليل الوقت والتكرار. النمط هو النشاط الحركي في مخطط كهربية الدماغ، والأكثر شيوعًا هو عدم التزامن المرتبط بالحدث. نحن نأخذ نشاط إيقاع ألفا. أنه يحتوي على الكثير من المعلومات حول كيفية تحركنا. هذه المعلومات هي كما يلي: عندما نقوم بحركة، فإن عدد الخلايا العصبية التي تشارك في معالجة المعلومات يتناقص. وبالتالي، يتم قمع إيقاع ألفا. تنخفض سعتها وتولد طاقة أقل. يستمر هذا القمع لإيقاع ألفا طوال الحركة بأكملها. إذا رأينا أن إيقاع ألفا قد انخفض، يمكننا القول أن الحركة قد حدثت في تلك اللحظة. على سبيل المثال، يضغط الشخص يده في قبضة. يسقط إيقاع ألفا، تنخفض طاقته. إنه غير متزامن ويمكننا أن نرى ذلك. ثم يقوم الشخص بفك يده، ويعود إيقاع ألفا ويعود إلى حالته الطبيعية. المشكلة برمتها هي أن إلغاء التزامن يظهر بوضوح في البيانات المتوسطة. نقوم بعدة حركات، ونحسب سطح المويجات لكل منها، ونحسب متوسطها، ونحصل على صورة مشرقة. نأخذ حركة واحدة ونحسب سطحها الموجي ولا نرى شيئًا. نحن لا نفهم شيئًا لأن هذه الحركة لها تأثير دقيق جدًا.
انظر أيضا:
شاهد كيف يبدو الصيف على كوكب زحل
كانت هناك صورة لكيفية "تدفق" غبار الصحراء إلى المحيط الأطلسي
شاهد ما يمكن أن يراه تليسكوب هابل في الفضاء