بیایید این بار ایران را restart کنیم...

واسط مغز کامپیوتر

راضیه بابایی ، زهرا ساجدی نیا

اگر از کار کردن با صفحه کلید و موس خسته شده اید یا افرادی را می شناسید که به دلیل معلولیتشان توانایی کار کردن با کامپیوتر را ندارند، تا انتهای مقاله با ما باشید. در اینجا ما تلاشهای دانشمندان برای ساخت واسط مغز و کامپیوتر و طریقه کارکرد و کاربردهای این تکنولوژی کم سن و سال(1) را بررسی خواهیم کرد.

شکل - 1

چند سالی است که محققان در مورد شاخه‌اي از پيوند انسان و ماشين با نام Brain-Computer interface(BCI) يا رابط مغز – كامپيوتر مطالعه مي‌نمايند كه هيچ ارتباطي با داستان‌هاي علمي-‌تخيلي ندارد. رابطهای مغز_کامپیوتر با خواندن سيگنال‌هاي الكتريكي يا ديگر علائم مغزي و تبديل كردن آن‌ها به اطلاعات ديجيتال، اين اطلاعات را به گونه‌اي براي كامپيوتر، قابل درك، تفسير و پردازش مي‌نمايند تا با استفاده از آن‌ها بتوان اعمالي مانند به حركت درآوردن مكان‌نما يا روشن كردن تلويزيون را انجام داد.

اين فناوري‌ براي افرادي كه به دليل آسيب‌ديدگي‌هاي نخاعي يا ناتوانايي‌هايي همچون بيماري تصلب و تحليل عضلات ‌(ALS) يا اختلالات مغزي قادر به استفاده عادي از دست‌ها و بازوهاي خود نيستند، نويدبخش خبرهاي خوشحال‌كننده‌اي خواهد بود.

استفاده از BCI سبب طرح ايده‌هايي شده كه مي‌توانند نقطه شروعي براي رسيدن به تكنيك‌هايي همچون تأييد هويت بيومتريك و ديگر موارد امنيتي با استفاده از امواج مغزي باشد؛ امواج انتشار یافته از مغز كاربر به برخي از محرك‌ها، خاص آن فرد است و مي‌توان توسط این امواج هویت او را تعيين‌ کرد و اجازه ورود به يك ساختمان يا استفاده از يك رايانه را داد.

دانشمندان از اوايل دهه 1970 ميلادي فعاليت‌هاي خود در زمينه BCI را آغاز نمودند. در آن زمان جکس ویدال(2) ، پروفسور بازنشسته دانشگاه كاليفرنيا، هدايت پروژه «رابط مغز-كامپيوتر» را با پشتيباني دانشگاه در دست گرفت. در طول اين مدت، محققان با نصب حسگرهاي ساده ی BCI در بدن موش‌ها، ميمون‌ها و انسان آزمايش‌هايي را در اين زمينه انجام دادند.

در اواخر دهه 1990 ميلادي محققان انستيتو فناوري جورجيا، با همكاري دانشگاه اموری(3)، با نصب يك الكترود در غشاي پوستي مغز يك بيمار كه به علت عارضه فلج ناحيه زير گردن قدرت تكلم خود را از دست داده بود، پتانسيل‌هاي درماني BCI را به نمايش گذاشتند. تكنيك به كار رفته در آن عمل، بيمار را قادر ساخت با برقراري ارتباط با كامپيوتر، مكان‌نما را به حركت در بياورد.

در سال 1999 اساتيد دانشكده پزشكي MCP Hahnemann، با همكاري پژوهشگران دانشگاه پزشكي Dukeموش‌هايي را تربيت كردند كه با استفاده از سيگنال‌هاي مغزي خود، يك شير آب برقي را به حركت در مي‌آوردند.

ایده اصلی به کار رفته درساخت واسط مغز و کامپیوتر بسیار ساده است:

مغز از یک میلیارد نورون تشکیل شده، هر نورون یک سیم زیستی است که جریان الکتریکی را در شرایط خاصی از خود عبور می دهد، این جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی تولید می کند. فعالیت هر گروه از نورونها نشانگر دستور یا پردازشی خاص است، به عنوان مثال فعالیت تعدادی از نورونهای میانی مغز، به شروع حرکت ارادی خاصی می انجامد. با دانستن نوع حرکتی که مغز فرمان اجرای آن را صادر کرده، امکان انجام این حرکت به صورت مصنوعی فراهم می شود.

شکل-2

بعضی از واسطهای مغز و کامپیوتر از الکترونسفالوگرافیEEG استفاده می کنند واز کاربر می خواهند که کلاه پلاستیکی مخصوصی را روی سرش قرار دهد(شکل 2) این کلاه امواج مغناطیسی تولید شده توسط مغز را جمع آوری می کند سپس توسط الگوریتمهای پیچیده ای جایگاه نورونهای فعال شناسایی شده و دستور صادره از مغزتشخیص داده می شود و در نهایت به حرکت مکان نما، عضو مصنوعی و ... می انجامد. دشوارترین مرحله این فرایند طراحی الگوریتمهایی است که در شناسایی امواج هدف از دیگر امواج منتشر شده از مغز به کار می روند.

با استفاده از این شیوه در دانشگاه توبینگن آلمان(4) حرکت دادن مکان نما توسط امواج مغزی برای ده فرد معلول ممکن شد اما این فرایند بسیار آهسته بود، بیشتر از یک ساعت برای نوشتن 100 کاراکتر توسط مکان نما به کار می رفت این در حالی بود که این افراد چندین ماه به تمرین پرداخته بودند.

نمونه دیگری در دانشگاه روچستر ساخته شد داوطلبان این بار با امواج مغزیشان توانستند به روشن و خاموش کردن لامپ بپردازند و حتی یک ماشین مدل را متوقف کنند.

همچنین در دانشگاه وسترن ریورس امکان حرکت دادن دست مصنوعی برای فردی که به فلج چهارگانه مبتلا بود فراهم شد.

در سال 2004، استفاده از شبکه های عصبی مصنوعی در الگوریتمهای به کار رفته مدت زمان تمرین را از چندین ماه به 30 دقیقه کاهش داد.

روش دیگر که استفاده از FMRI و MEG بود به نتایج قابل قبولی منتج شده است یکی کنترل دست روباتیک با 7 ثانیه تاخیر بین فکر و حرکت و مورد بسیار جالب دیگر که اخیرا در آزمایشگاه نوروساینس محاسباتی کیوتو ساخته شده، به دانشمندان این امکان را می دهد که مستقیما تصاویر را از مغز دریافت کنند و بر روی کامپیوتر نمایش دهند، اگر چه به تصاویر سیاه-سفید 100 پیکسلی منتج شده است اما مسیر را برای دستیابی به تصاویر رنگی و حتی دیدن وضبط رویاها باز کرده است.

یکی از دانشمندان می گوید:جمع آوری امواج مغزی توسط این کلاه ها همچون گوش دادن به موسیقی خارج از سالن کنسرت است چرا سمفونی مغز را از داخل نشنویم. الکترودهایی طراحی شده که به طور مستقیم درون مغز قرار می گیرد و امواج را دریافت و به تشخیص جایگاه نورونهای فعال کمک می کند (شکل شماره 3). این الکترودها کوچکتر از لنزهای تماسی هستند و از 12 پایه تشکیل شده اند. یکی از این تراشه ها، توسط گروه شوارتز(5) با موفقیت در مغز میمونی کار گذاشته شد و این میمون، تنها با استفاده از نیروی مغزی خود توانست دست مکانیکی را حرکت داده وغذا را گرفته و در دهانش قرار دهد فیلمهای کوتاهی از این آزمایش در youtube موجود است.

پژوهش‌ها در زمينه BCI بسيار وسيع است و شاخه‌هايي همچون نانوفناوري، زيست‌فناوري، فناوري اطلاعات، علوم روانشناختي، علوم كامپيوتري، مهندسي بيومديكال، نوروساینس و رياضيات كاربردي و... را در بر مي‌گيرد.

اگر چه این فناوری به سبب به وجود آمدن ایده های جدید وجالب مورد توجه قرار گرفته اما هم اكنون با مشكلاتي همچون عدم پذيرش از سوی کاربران به دلیل دقت پايين سيگنال روبه‌رو است و تا فراگير شدن و استفاده گسترده از اين فناوري راه درازي در پيش است.

------------ -------------- ---------------

1- تلاش جدی در این زمینه از اواسط دهه 90 آغاز شده است.

2- Jacques Vidal

3- Emory

4- Tübingen

5- Schwartz

-----------------------

منابع:

1-IEEE Compute

2-wikipedia

3- مجله Elector سپتامبر 2008

-------------------------------------------------------------------------------

برگرفته از نشریه پردازه گاهنامه علمی علوم کامپیوتر دانشگاه شهید بهشتی شماره سوم