BCI چیست؟کاربردآن کدامست؟

        BCI چیست؟کاربردآن کدامست؟

                  دکتر حسین جعفری عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی گروه فارماکولوژی

دانشکده داروسازی و واحد علوم دارویی تهران ، مدرس فارماکولوژی بالینی بیمارستان بوعلی تهران

                به نام خداوند لوح و قلم                                    حقیقت نگار وجود و عدم

                خدایی که داننده ی رازهاست                          نخستین سرآغاز آغازهاست

***************************************************************************************************

افراد زیادی در سرتا سر جهان به علت تصادفات، کهولت سن و یا به طور مادرزادی، قدرت حرکت اعضای بدن و در مواردی حتی قدرت تکلم خود را از دست داده اند. بروز این مشکل عوامل مختلفی دارد که از جمله آنها میتوان به ضربه مغزی، قطع نخاع و مشکلات سیستم عصبی عضلانی مانند بیماری ALSا( آمیوتروفیک جانبیو سکلروزیس) و ام. اس اشاره کرد. به طور کلی در این گروه از بیماران فرمانهای کنترلی در مغز صادر میشود اما سیستم عصبی انتقال دهنده این فرمانها به عضلات تخریب شده است. در راستای کمک به بیماران دارای مشکلات تکلمی و حرکتی، ساخت پروتزهای عصبی- عضلانی و تجهیزات توانبخشی رباتیک با قابلیت کنترل مستقیم با سیگنالهای مغزی در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات گستردهایی منظورارتقاءنرم افزاری و سخت افزاری این سیستمها انجام شده است . 

واسط مغز و رایانه از مجموعه‌ای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل می‌شود که فعالیت مغزی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنال‌های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می‌کند. در این سامانه ابتدا باید امواج مغزی را با استفاده از دستگاه‌های ثبت امواج مغزی ثبت کرد که معمولاً به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از الکتروانسفالوگرافی برای ثبت امواج مغزی استفاده می‌شود. الکترودهای EEG در سطح پوست سر قرار می‌گیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت نورون ها را اندازه گیری می‌کنند. در مرحله بعد این امواج بررسی شده و ویژگی‌های موردنظر استخراج می‌شود و از روی این ویژگی‌ها می‌توان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد. در این مقاله این سیستم و پیشرفت‌هایی که تا کنون روی این سامانه صورت گرفته‌است، بررسی شده‌است. از آن جایی که هنوز سرعت و دقت این سیستم‌ها به حد قابل قبولی نرسیده‌است، هنوز به صورت تجاری وارد بازار نشده‌است اما از آن جایی که این سیستم‌ها روش نوینی برای برقراری ارتباط، خصوصاً برای افرادی که از نظر جسمی معلول هستند را فراهم می‌کنند، گروه‌های پژوهشی زیادی روی این سامانه‌ها کار می‌کنند و امید است که در آینده‌ای نزدیک بتوان به سامانه‌هایی با سرعت و دقت بالا دست پیدا کرد.

مواجهه با مشکل (نخاعی) همان طور که در تصویر مشاهده می کنید »نخاع« طناب بلندی است که از انتهای سر شروع می شود و تا باالی لگن کشیده می شود. نخاع به همراه مغز که درون جمجمه سر انسان قرار دارد سیستم عصبی ما را تشکیل می دهد

.

وظیفه ی نخاع: رابطه ی دو طرفه, برای انتقال پیام های حسی-حرکتی بین مغز و اندام ها بنابراین بدن ما برای حس و حرکت نیاز جدی به طناب نخاعی دارد .     سیستم عصبی = نخاع + مغز

آسیب به طناب نخاعی بسته به این که در کدام قسمت اتفاق بیافتد عوارض متفاوتی را ایجاد می کند. در تصاویر فوق می توانیم ببینیم که آسیب به هر قسمت کدام قسمت کدام جریان از بدن ما را تحت تاثیر قرارمی دهدعلاوه بر ان آسیب به نخاع می تواند بدن را دچار آسیب های حسی و حرکتی موقت و یا دائمی کند.

کم شنوایی حسی-عصبی ناشی از فقدان یا صدمه به سلول های حسی در حلزون گوش و به صورت دائمی است. کم شنوایی حسی-عصبی به کم شنوایی عصبی هم شهرت دارد و می تواند مالیم,متوسط و یا شدید باشد.

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.

یکی از اختراعاتی که تاریخ علوم اعصاب را متحول کرد بدون شک اختراع نوار مغز (الکتروانسفالوگرام) بود. هانس برگر که یک روانپزشک اهل آلمان بود با الهام از تحقیقات ریچارد کیتون به فکر ثبت امواج الکتریکی قشر مخ افتاد. او توانست در سال ۱۹۴۲ با استفاده از دو الکترود نقرهای که روی پوست سر، یکی در جلو و یکی در عقب فیکس کردهبود امواج الکتریکی مغز را با استفاده از یک گالوانومتر ثبت کند. او همچنین توانست برای نخستین بار بی نظمی هایی که در امواج الکتریکی مغز مبتلایان به صرع وجود دارد را تبیین کند و امواج طبیعی مغز انسان در حالات مختلف را دسته بندی کند. کشف امواج آلفای مغز را به کارهای او نسبت میدهند. امروزه از اختراع برگر به شکل پیشرفته تر در زمینه های تشخیصی و تحقیقاتی علوم اعصاب استفاده میشود.

 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.

هانس برگر آلمانی: Hans Berger‎؛یک روان‌پزشک و دانشمند در زمینه فیزیولوژی اعصاب اهل آلمان بود.

وی مخترع نوار مغزی (EEG) یا «ضبط امواج مغز»در سال ۱۹۲۴ میلادی و کاشف امواج آلفا بود که به

 «امواج برگر» شهرت دارند.

او به‌دنبال یک دوره افسردگی مزمن و ابتلا به عفونت پوستی شدید خود را در کلینیکِ محل کارش دار زد و خودکشی کرد.

مزیت این روش کم حجم، ارزان و قابل حمل بودن تجهیزات ضبط سیگنال میباشد ضمن آنکه خطرات احتمالی ناشی از عمل جراحی در روشهای تهاجمی را ندارد. سیگنالهای نوسانی دریافتی از مغز به صورت یک بعدی و متغیر با زمان میباشند. زمانی که فرد در حالت طبیعی قرار دارد و مشغول انجام فعالیت خاصی نباشد سیگنالهای مغزی به صورت پیوسته و یکنواخت قابل دریافت است. فرکانس نوسانات سیگنال دریافتی متناسب با سطح هوشیاری و میزان تمرکز فرد و وضعیت روحی و ذهنی وی، در شش بازه مختلف فرکانسی قرار میگیرد.

با انجام یک فعالیت ذهنی خاص )شامل تصور حرکت اعضای بدن، انجام محاسبات ریاضی، یادآوری خاطرات و غیره ( و یا حرکت دادن یکی از اعضای بدن، تغییراتی در نوسانات طبیعی مغز رخ میدهد. هر تصور خاص و یا هر تحریک خارجی تغییراتی مختص به خود در امواج مغزی تولید میکند. امواج مغزی را از نظر فرکانس نوسانات (ویژگیهای فرکانسی) و زمان وقوع تغییرات مختلف در نوسانات (ویژگیهای زمانی(  میتوان بررسی نمود و با شناسایی تغییرات خاصی که در سیگنالهای مغزی رخ داده، نوع تصور فرد یا عملی که فرد انجام میدهد را شناسایی کرد.

به منظور دریافت سیگنالهای EEG ابتدا به کمک تعدادی الکترود که در یک آرایش خاص روی سر

معرفی BCI ارتباط مغز با کامپیوتر که با عنوان ارتباط مغز با ماشین شناخته BMI یا

 ( Brain Machine Interface)   میشود یک راه تعامل با محیط پیرامون بدون بکارگیری واسط عضلانی معرفی میکند .

واسط مغز و رایانه از مجموعه ای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل می شود که, فعالیت مغزی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنال های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می کند. خصوصیتی که این رابط های مغز و رایانه را از سایر وسایل ارتباطی مجزا می کند، عدم نیاز به حرکتی آشکار در بدن به منظور انتقال اطالعات می باشد. بدین ترتیب در حالتی ایده آل شخص باید بتواند بی حرکت در جای خود نشسته و با تمرکز بر برخی افکار و تولید امواج مغزی مناسب منظور خود را بیان کند.

 برای این منظور، فرمانهای صادر شده از مغز به صورت بدون واسطه به یک عملگر مانند رایانه، ربات یا یک پروتز هوشمند انتقال داده میشود تا کاربر با کنترل آن با محیط خارج ارتباط برقرار کند. از چنین سیستمی میتوان در راستای رفع محدودیتهای حرکتی و ارتباطی افراد معلول و بیماران نیازمند استفاده کرد.

تاریخچه ای کوتاه

در سال 1970 تحقیقات بر روی واسط مغز و کامپیوتر در دانشگاه کالیفرنیا که از پیشگامان این حوزه به حساب می امد اغاز شد. اولین تحقیقات متمرکز و جدی این دانشگاه بر روی کاربرد های اولیه این علم در زمینه بهبود عصب های دفاعی عنبیه آسیب دیده چشم ، شنوایی و ناتوانی های حرکتی بود

مراحل انجام کار در BCI 

1-ثبت سیگنال   2- پردازش سیگنال       3  -استخراج ویژگی،ترجمه            4- کاربرد

تفاوت اصلی میان پروتزهای عصبی و تجهیزات مبتنی بر BCI در نحوه کاربرد آنها میباشد. در پروتزهای عصبی سیستم عصبی فرد به دستگاه متصل میشود تا پالسهای الکتریکی دریافتی از عصب را به دستگاه منتقل نماید در حالی که در BCI مغز مستقیما و بدون دخالت سیستم عصبی برای کنترل دستگاه استفاده میشود. در سیستم BCI فعالیتهای فیزیولوژیک قسمتهای مختلف مغز براساس سیگنالهای دریافتی از الکترودها بررسی میشود تا از این طریق تصمیم و تمایل فرد شناسایی شود. استفاده از مغز برای انجام کارهای مختلف نیازمند برداشت سیگنال از نواحی مختلف مغز با کیفیت مناسب میباشد

BCI  سیستمی است که برخی از سیگنالهای حیاتی اندازه گیری شده فرد را دریافت کرده و به صورت زمان حقیقی 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.

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.

روش های مختلفی برای ثبت فعالیت های مغزی می باشد:

PET  ,FMRI   ,MEG  ,EEG

ثبت سیگنال ( :EEG به دلیل غیرتهاجمی و ارزان تربودن نسبت به سایر روش هابهترین روش می باشد. با استفاده از یک سری الکترود فعالیت های الکتریکی مغز را اندازه گیری می کنند. برای انجام این کار از نوعی ژل برای کاهش مقاومت پوست سر استفاده می کنند. این ازمایش با استفاده از دستگاه emotive انجام می شود؛این دستگاه شامل 14کانال است که پس از ثبت، سیگنال ها از را طریق بلوک های تقویت کننده وفیلتر باال و پایین گذر می گذراند و از طریق بلوتوث به رایانه انتقال می دهد.

                                                  دستگاه emotive

ریتم مغزی:

سیگنال های مغزی که به روش EEG ثبت می شوند را بر اساس بازه های فرکانسی به بخش های مختلفی تقسیم می کنند و به هر کدام از این بخش ها ریتم سیگنال مغزی می گویند.

امواج مغزی بر اساس فرکانس به چند دسته آلفا، بتا، تتا، دلتا و گاما تقسیم می‌شوند. هر یک از امواج مغزی مسئول کنترل و اثرگذاری بر بخشی از عملکردهای ذهنی، هیجانی و رفتاری انسان است. هرچه فعالیت قشر مغز بیشتر باشد، فرکانس امواج مغز بیشتر خواهد بود. بیشترین فرکانس مغز در هنگام بیداری و کمترین فرکانس در حالت کما و بیهوشی دیده می‌شود. بر اساس سرعت امواج مغزی، فرکانس هر کدام به سه دسته آرام، میانه، و امواج سریع در واحد هرتز دسته بندی می‌شوند.

انواع رابط مغز و رایانه در کاربرد:

:Active

سیستمی است که خروجی های خود را از طریق فعالیت مغز، سیگنالهایی که به طور مستقیم و آگاهانه توسط کابر 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، شما با استفاده از افکار داوطلبانه و آگاهانه یک دستگاه را کنترل یک عضو میکنید، شما روی افکار کنترلی خود تمرکز می کنید، برای مثال تصور می بدنتان را حرکت بدهید یا کارهایی شبیه این انجام دهید.

:Reactive

در این حالت نیزخروجی سیستم از فعالیت مغزی بدست می اید 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 پتانسیل های مرتبط با خروجی رویداد در مغز شخص می شود و از طریق این پتانسیل ها،BCIمرتبط را ایجاد می کند. مثال  P300,SSVEP

کمی راجع بهP300 بدانیم:

:P300علت نامگذاری به ان جهت است که فرد3۰۰ میلی ثانیه پس از تحریک واکنش نشان می دهد. یکی از مثال های پرکاربرد در این نوع سیستم هاواسط مغز و رایانه( تایپ کردن براسال سیگنال پی3۰۰ می باشد. به اینصورت که حروف انگلیسی به صورت تصادفی)در حالت سطرو ستون( ظاهر می شود و فرد با تمرکز روی حرف مورد نظر از طریق سیگنال پی3۰۰ اون حرف روشن می شود.

کاربرد دیگرP300: از جمله مطالعات انجام شده طراحی و ساخت ویلچیرهای هوشمند با قابلیت شناسایی محیط اطراف است که به کاربر امکان میدهد تا به کمک سیگنال پی3۰۰ ناشی از تحریک بینایی حرکت آن را کنترل نماید. عالوه بر سیگنالهای مغزی ناشی از تحریک بینایی، در صورت استفاده از سیگنالهای تصور حرکتی برای کنترل یک ویلچیر نیز میتوان به دقت کنترل 1۰۰ درصد دست یافت.

کمی راجع بهSSVEP بدانیم:

یکی از انواع پتانسیل های مغزی، به معنای ”حالت پایدار تحریک های مغزی از طریق بینایی” می باشد. از کاربرد های این سیگنال، می توان در زمینه ی رفع محدودیت بالا تنه به ساخت دست مصنوعی اشاره کرد.

کاشت حلزون شنوایی

کاشت حلزون دستگاه الکترونیکی کوچکی است، که تا حدی شنوایی را به فرد باز می گرداند. آن می تواند یک گزینه پزشکی باشد برای افرادی که در اثر آسیب به گوش داخلی مبتالا به کم شنوایی شدید تا عمیق و عمیق شده اند و سمعک برای آن ها کارایی محدودی دارد. برخالف سمعک ها که صدا را تقویت می کنند، کاشت حلزون قسمت های آسیب دیده گوش را برای تحویل سیگنال صوتی به عصب شنوایی دور می زند.

آینده ی BCI:

اعضای مصنوعی

 خواندن ذهن افراد...

کنترل پرواز...

                                       آینده واقعا چگونه است؟

•        عید فطر، عید پایان یافتن رمضان نیست

•        عید بر آمدن انسانی نو از خاکسترهای خویشتن خویش است، چونان ققنوس که از خاکستر خویش دوباره متولد می شود.

•        رمضان کوره ایی است که هستی انسان را می سوزاند و آدمی نو با جانی تازه از آن سر بر می آورد.

•        فطر شادی و دست افشانی بر رفتن رمضان نیست، بر آمدن روز نو، روزی نو و انسانی نو است.

•        بناست که رمضان با سحرها وافطارهایش

•        با شبهای قدر و مناجاتهایش از ما آدمی دیگر بسازد.

•        اگر درعید فطر درنیابیم که از نو متولد شده ایم

•        اگر تازگی را در روح خود احساس نکنیم

•        عید فطر عید ما نیست.

                                            عید فطر بر عزیزان مبارک باد