واسط مغز و رایانه (BCI) چیست؟

واسط مغز و رایانه   Brain Computer interface  به اختصار BCI  نامیده می شود یک تکنولوژی برای ارتباط مستقیم مغز انسان با سیستمهای کامپیوتری است . این سیستم مبتنی بر ثبت سیگنال های مغزی افراد الکتروانسفالوگرام می باشد در این تکنولوژی  با استفاده از ثبت سیگنال های مغزی سعی می شود تا به دستوراتی که از سمت مغز صادر می شود دسترسی پیدا کرد و این دستورات را به فرامین قابل درک برای سیستم کامپیوتری تبدیل کرد . در نهایت سیستم کامپیوتری می تواند براساس نوع سیگنال و فرمان صادر شده از این پیام ها استفاده کند.

کاربردهای سیستم واسط مغز و رایانه

موتور تصور حرکت

یکی از متداول ترین استفاده ها از سیستم واسط مغز و رایانه (BCI) کمک به افراد دارای معلولیت حرکتی است. فرد با معلولیت در اندام فوقانی ، دست ها یا یا اندام تحتانی مانند عدم توانایی در راه رفتن می تواند از این سیستم استفاده کند و به ناتوانی خود در حرکت اندام ها غلبه کند . اما باید توجه داشت که این سیستم بیشتر در مواردی استفاده می شود که در ارتباط مغز و  اندام ها اختلالی وجود داشته باشد. فردی را تصور کنید که بر اساس یک حادثه قطع نخاع شده در این حالت فرد ارتباط بین مغز و سیستم عصبی خود را از دست داده است و سیستم BCI  می تواند مانند یک پل این ارتباط را مجددا برقرار نماید.

تشخیص گفتار

در مثالی دیگر استفاده از سیستم واسط مغز و رایانه (BCI)می تواند به گونه ای دیگر رقم بخورد برای مثال فرد توانایی تکلم خود را از دست داده ولی ذهنی سالم و پویا دارد در این حالت این سیستم می تواند مانند یک مترجم افکار و لغات مورد نظر  را به سیستم کامپیوتری منقل کند و سیستم با نمایش این افکار ، سبب ارتباط فرد با افراد دیگر و محیط پیرامون وی خواهد شد. در این سیستم با انتخاب حروف کلمات تشکیل و سپس یک جمله ی کامل شکل می گیرد و منظور فرد منتقل می شود.

نوروفیدبک

نوروفیدبک با استفاده از ثبت امواج الکتریکی مغز و دادن بازخورد  تلاش می‌کند نوعی خودتنظیمی را به فرد آموزش دهد. بازخورد به طور معمول از راه صدا یا تصویر به فرد ارائه می‌شود و از این طریق فرد متوجه می‌شود که آیا تغییر مناسبی را در فعالیت امواج مغزی خود ایجاد کرده‌است یا خیر. امواج مغزی ثبت شده در قالب بازی رایانه ای یا فیلم  به فرد نمایش داده می شود و در بازی رایانه ای کنترل بازی  با امواج مغزی و بدون دخالت دست اتفاق می افتد. فرد با گرفتن امتیاز یا شکست در ادامه ی بازی متوجه می شود که آیا موفق به کنترل امواج مغزی خود شده است یا خیر .

سرگرمی

از جمله کاربردهای دیگر این سیستم می تواند در افراد عادی و به عنوان سرگرمی باشد امروزه در دنیای تکنولوژی شرکت ها و استارت آپ های مختلفی روی این سیستم ها سرمایه گذاری کرده اند به گونه ای که چندین نمونه ی موفق و تجاری در کاربرد های مختلف برای این سیستم  به صورت سخت افزاری و نرم افزاری گسترش داده شده است . هدست های مبتنی بر رابط مغز و رایانه در بازار امروز در دسترس همگان قرار گرفته است این هدست ها می توانند فرامین مختلفی را اجرا کنند و درکنار ارائه ی یک سرگرمی جدید به قدرت تمرکز فرد نیز بیافزاید در ویدیوی  زیرمعرفی هدست شرکت   NEXT MIND را مشاهده می کنیم که عملکردی فوق العاده در افزایش تمرکز و اجرای فرامین روزمره را نشان می دهد.

روش استفاده از سیستم واسط مغز و رایانه

این سیستم مبتنی بر سیگنالهای ثبت شده از مغز و با کمک سیستم ثبت سیگنال EEG عمل می کند. این ثبت می تواند به صورت تهاجمی یا غیر تهاجمی صورت بگیرد. در بیشتر موارد از سیستم غیر تهاجمی مانند هدست های موجود در بازار یا دستگاه EEG  استفاده می شود . روش ثبت سیگنال مبتنی بر استفاده از الکترود های مغزی و سیستم 10-20 می باشد در این روش الکترودها روی پوست سر و براساس نقشه ی مغزی بسته به نوع کاربرد در قسمت های مختلف سر قرار می گیرند برای درک بهتر این موضوع باید در نظر داشت که هر قسمت از مغز مسئول فعالیت های مختلف می باشد بخش شنوایی، بینایی و حرکتی در مغز مناطق جدا از هم هستند که براساس پژوهش های صورت گرفته این نواحی مشخص شده است  برای مثال استفاده از سیستم ارتباط مغز و رایانه در ناتوانی های حرکتی بخشی از مغز که مربوط به این حرکات است مورد نظر است و ثبت سیگنال از این نواحی صورت می گیرد

سیگنال های ثبت شده توسط دستگاه فیلتر و برای پردازش اولیه به رایانه منتقل می شود در رایانه بر اساس برنامه های کاربردی طراحی شده سیگنال مغزی که از کانال های مختلف دریافت شده است با روش های پردازش سیگنال پردازش می شود و با کمک هوش مصنوعی یا الگوریتم های طبقه بندی در خروجی برای مقاصد گوناگون مورد استفاده قرار میگیرد. به طور خاص در کاربرد موتور تصور حرکت ، فرد آن حرکتی که مد نظر است را در ذهن مجسم میکند و این تصور روی سیگنال دریافتی، خود را نشان میدهد برای حرکت دادن دست ، فرد همان حرکت دست را تصور میکند و سیستم این حرکت را تشخیص داده و می تواند از طریق تحریک الکتوردهای محرک قرار گرفته ی روی دست سیگنال حرکتی لازم را به دست فرد منتقل کند و باعث حرکت اندام فلج خواهد شد.

 یکی از موفقترین نمونه های این کاربرد در افتتاحیه ی جام جهانیه 2014 در معرض دید همگان قرار گرفت در این مراسم Juliano Pinto که از توانایی راه رفتن محروم بود با کمک اسکلت خارجی و تحت نظر تحقیقات دکتر Miguel Nicolelis نه تنها توانست اولین ضربه به توپ را برای شروع مسابقات بزند بلکه این ضربه و توپ را حس کرد و گامی مهم در معرفی و گسترش این تکنولوژی برداشت.

چالش ها

یکی از مهمترین چالش ها در گسترش این تکنولوژی ثبت سیگنال مغزی با کیفیت بالا و بدون نویز می باشد این قسمت از کار به صورت شاه کلید فعالیت سیستم عمل می کند به گونه ای که اگر سیگنال ثبت شده کیفیت مطلوبی نداشته باشد در نهایت خروجی و تصمیمات مبتنی بر آن اشتباه خواهد بود و عملکرد سیستم را مختل خواهدکرد. همچنین در این تکنولوژی استفاده از الکترودهای ثبتی که بتواند توانایی ثبت سیگنال به صورت مدوام و طولانی را فراهم کند از اهمیت بالایی برخوردار است.

امروزه برای  ثبت سیگنال مغزی بیشتر از الکترودهای CAP استفاده می شوند این الکترودها برای ثبت بهینه نیاز به ژل دارند تا مقاومت بین پوست سر و الکترود را کاهش دهند و بتوانند ثبت با کیفیتی را فراهم کنند به همین دلیل در ثبت های طولانی خشک شدن ژل کیفیت کار را پایین می آورد نوع دیگر الکترود ها الکترودهای خشک هستند که بدون ژل این کار را انجام می دهند ولی در ثبت های طولانی می توانند احساس ناخوشایندی روی پوست سر ایجاد کنند و سبب شوند افراد رقبت کمتری به استفاده از آن نشان دهند.

نویز های محیطی ، نرم افزار ها، الگوریتمهای پردازش سیگنال ، هوش مصنوعی و سیستم طبقه بندی می توانند به شدت روی عملکرد این سیستم تاثیر بگذارند به همین منظور تحقیقات گسترده ای در این حوزه ها توسط متخصصین انجام می شود.

نورولینک

پروژه ی نورولینک که توسط صاحب مشهور  آن یعنی ایلان ماسک مدیریت می شود قصد دارد تا با استفاده از تراشه های کاشتنی در مغز این تکنولوژی را به صورت قابل ملاحظه ای گسترش دهد. این شرکت با ارایه ی یک الکترود کاشتنی در مغز یک روش تهاجمی اما باکیفیت بالا را برای سیستم واسط مغز و رایانه (BCI)گسترش می دهد.با توجه به موفقیت شرکت های تحت مالکیت ایلان ماسک امید می رود این پروژه نیز دستاورد های خیره کننده ای داشته باشد.