حل مشکلات انسانی؛ رابط مغز و ماشین؛ فصل هفدهم حقایق مغز

BRAIN-MACHINE INTERFACE

If you know someone with severe neurological damage perhaps cerebral palsy, trauma from a car or motorcycle accident, a military or sports injury, or a stroke you’ve seen, firsthand, how communicating with the outside world and performing daily tasks can be a challenge. But during the past few decades, scientists have made impressive progress in developing technologies that can bypass such damage. Now brain-machine interfaces can read the activity of millions of neurons – through electroencephalographic (EEG) activity from the brain’s surface or from implanted electrodes — and predict the behavioral intentions of research participants. These advances give human and animal subjects neural control of parts of their surroundings: from computer cursors to video games to robotic limbs.

رابط مغز و ماشین

اگر کسی را می‌شناسید که آسیب عصبی شدید دارد، مثلاً فلج مغزی، ترومای ناشی از تصادف ماشین یا موتورسیکلت، آسیب نظامی یا ورزشی یا سکته مغزی، از نزدیک دیده‌اید که چگونه برقراری ارتباط با دنیای خارج و انجام کارهای روزانه می‌تواند یک چالش باشد. اما در طول چند دهه گذشته، دانشمندان پیشرفت چشمگیری در توسعه فناوری‌هایی داشته‌اند که می‌توانند از چنین آسیب‌هایی جلوگیری کنند. اکنون رابط‌های مغز و ماشین می‌توانند فعالیت میلیون‌ها نورون را – از طریق فعالیت الکتروانسفالوگرافی (EEG) از سطح مغز یا از الکترودهای کاشته شده – بخوانند و نیات رفتاری شرکت‌کنندگان در تحقیق را پیش‌بینی کنند. این پیشرفت‌ها به افراد انسانی و حیوانی کنترل عصبی بخش‌هایی از محیط اطرافشان را می‌دهد: از مکان‌نماهای رایانه‌ای گرفته تا بازی‌های ویدیویی و اندام‌های رباتیک.

Despite the scifi sizzle, most of the work on electronic brain implants is derived from basic research on how animals and people plan and control various types of movement. Using hair-thin wires inserted into the brains of monkeys and rats, scientists first recorded the firing patterns of cells located in the premotor, primary motor, and posterior parietal cortical areas of the brain. As the animals performed repetitive tasks like pressing a lever to receive a reward, researchers found specific firing patterns associated with the motion. Eventually, these patterns were translated into computer algorithms that allowed animals to complete a task via a robotic arm or prosthetic device simply by thinking about it.

با وجود هیاهوی علمی تخیلی، بیشتر کار روی ایمپلنت‌های الکترونیکی مغز از تحقیقات پایه در مورد چگونگی برنامه‌ریزی و کنترل انواع مختلف حرکات توسط حیوانات و انسان‌ها گرفته شده است. دانشمندان ابتدا با استفاده از سیم‌های نازک مو که در مغز میمون‌ها و موش‌ها قرار داده شده بودند، الگوهای شلیک سلول‌های واقع در نواحی پیش‌حرکتی، حرکتی اولیه و قشر جداری خلفی مغز را ثبت کردند. همانطور که حیوانات کارهای تکراری مانند فشار دادن یک اهرم برای دریافت پاداش انجام می‌دادند، محققان الگوهای شلیک خاصی مرتبط با حرکت را یافتند. در نهایت، این الگوها به الگوریتم‌های کامپیوتری ترجمه شدند که به حیوانات اجازه می‌دادند تا یک کار را از طریق یک بازوی رباتیک یا دستگاه پروتز، صرفاً با فکر کردن در مورد آن، انجام دهند.

The clinical applications of brain-machine interfaces quickly became clear. Neuroscientists and surgeons implanted electrode arrays in the brains of patients with epilepsy, paralysis, stroke, or Lou Gehrig’s disease (ALS), in hopes of enabling them to communicate and, someday, move independently. In early experiments, patients were only able to gain rudimentary control of a computer cursor. But a breakthrough occurred in 2011 when, after months of extensive training, quadriplegic patients learned to control movements of a third (robotic) arm-enabling them to grasp a drink of water or reach out to a loved one.

کاربردهای بالینی رابط‌های مغز و ماشین به سرعت آشکار شد. دانشمندان علوم اعصاب و جراحان، آرایه‌های الکترودی را در مغز بیماران مبتلا به صرع، فلج، سکته مغزی یا بیماری لو گریگ (ALS) کاشتند، به این امید که آنها را قادر به برقراری ارتباط و روزی حرکت مستقل کنند. در آزمایش‌های اولیه، بیماران فقط می‌توانستند کنترل اولیه مکان‌نمای کامپیوتر را به دست آورند. اما در سال ۲۰۱۱، پس از ماه‌ها آموزش گسترده، پیشرفت چشمگیری رخ داد؛ زمانی که بیماران فلج چهار اندام یاد گرفتند حرکات بازوی سوم (رباتیک) خود را کنترل کنند و این امر آنها را قادر ساخت تا یک لیوان آب را بگیرند یا به عزیزان خود کمک کنند.

Honing this technology is allowing patients to control their own paralyzed limbs. Electrode chips implanted in their brains are connected to sleeves or gloves worn over the injured limbs. Sending tiny blasts of electricity into the patient’s nerves, located under the sleeve or glove, can reanimate paralyzed muscles. But brain-machine interfaces won’t become part of clinical medicine until they’re simplified, miniaturized, and made more reliable. Devices that wire-lessly transmit commands from brain implants are a step in that direction.

پیشرفت این فناوری به بیماران اجازه می‌دهد تا اندام‌های فلج خود را کنترل کنند. تراشه‌های الکترودی کاشته شده در مغز آنها به آستین‌ها یا دستکش‌هایی که روی اندام‌های آسیب‌دیده پوشیده شده‌اند، متصل می‌شوند. ارسال جریان‌های کوچک الکتریسیته به اعصاب بیمار، که در زیر آستین یا دستکش قرار دارند، می‌تواند عضلات فلج شده را دوباره زنده کند. اما رابط‌های مغز و ماشین تا زمانی که ساده، کوچک و قابل اعتمادتر نشوند، بخشی از پزشکی بالینی نخواهند شد. دستگاه‌هایی که به صورت بی‌سیم دستورات را از ایمپلنت‌های مغزی منتقل می‌کنند، گامی در این جهت هستند.

A parallel line of research has explored applying this technology in the broader field of neuroprostheses. Neuro- prosthetic devices not only receive out- put commands from a patient’s nervous system, but can also provide input — as occurs in retinal implants and prosthetic limbs. Prosthetic arms, for example, have remained frustratingly low-tech, but some brain-guided prostheses have integrated nerves and muscles at several different levels, allowing users to perform more precise and natural movements, and even enabling some to “feel” again. Still, even the most sophisticated neuroprostheses (such as brain implants) are limited by their number of electrodes and the lifespan of the implanted electrodes. Current arrays can only connect to 100 or so neurons, so a more complex and useful bionic future is still far away. Yet scientists and entrepreneurs are already thinking of new uses for the technology: restoring memory; enhancing cognition; and treating diseases such as depression, Alzheimer’s, and epilepsy.

یک خط تحقیقاتی موازی، کاربرد این فناوری را در حوزه وسیع‌تر پروتزهای عصبی بررسی کرده است. دستگاه‌های پروتز عصبی نه تنها دستورات خروجی را از سیستم عصبی بیمار دریافت می‌کنند، بلکه می‌توانند ورودی نیز ارائه دهند – همانطور که در ایمپلنت‌های شبکیه و اندام‌های مصنوعی اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال، بازوهای مصنوعی به طرز ناامیدکننده‌ای از فناوری پایینی برخوردار بوده‌اند، اما برخی از پروتزهای هدایت‌شده توسط مغز، اعصاب و عضلات را در سطوح مختلف ادغام کرده‌اند و به کاربران امکان می‌دهند حرکات دقیق‌تر و طبیعی‌تری انجام دهند و حتی برخی را قادر می‌سازند دوباره “احساس” کنند. با این حال، حتی پیچیده‌ترین پروتزهای عصبی (مانند ایمپلنت‌های مغزی) به دلیل تعداد الکترودها و طول عمر الکترودهای کاشته شده محدود هستند. آرایه‌های فعلی فقط می‌توانند به حدود ۱۰۰ نورون متصل شوند، بنابراین آینده‌ای پیچیده‌تر و مفیدتر در حوزه بیونیک هنوز دور از دسترس است. با این حال، دانشمندان و کارآفرینان در حال حاضر به کاربردهای جدیدی برای این فناوری فکر می‌کنند: بازیابی حافظه؛ افزایش شناخت؛ و درمان بیماری‌هایی مانند افسردگی، آلزایمر و صرع.

Advances in brain-machine interfaces are leading to incredible treatments, like this prosthetic arm that is controlled through thought.

پیشرفت‌ها در رابط‌های مغز و ماشین منجر به درمان‌های باورنکردنی می‌شود، مانند این بازوی مصنوعی که از طریق فکر کنترل می‌شود.