گامی به سوی نسل بعدی سیستمهای واسط مغز – رایانه
یک نوع جدید سیستم واسط عصبی که فعالیت صدها سنسور کوچک مغزی را با یکدیگر هماهنگ میکند روزی سبب افزایش درک بیشتر ما از مغز شده و درمان‌های دارویی جدیدی را به وجود خواهد آورد.
واسطهای مغز – رایانه (BCIs) از دستگاههای کمکی جدیدی هستند که روزی به افرادی با آسیبهای مغزی یا نخاعی برای حرکت کردن یا برقراری ارتباط کمک خواهند کرد. سیستمهای BCI به سنسورهای کاشتنی وابسته هستند که سیگنالهای الکتریکی مغز را ثبت کرده و از این سیگنالها برای هدایت برای دستگاههای خارجی مثل کامپیوترها یا پروتزهای روباتیک استفاده میکنند.
اکثر سیستمهای BCI فعلی از یک یا دو سنسور برای نمونه گیری تا حدود چند صد نورون استفاده میکنند، اما دانشمندان عصب شناسی به سیستمهایی علاقهمند هستند که میتوانند دادهها را از گروههای بزرگتری از سلولهای مغزی جمع آوری کنند.
اکنون، تیمی از محققان یک مرحله‌ی کلیدی را به سمت یک مفهوم جدید برای سیستم BCI در آینده طی کردهاند – که از یک شبکه‌ی هماهنگ از سنسورهای عصبی بی سیم در مقیاس میکرو استفاده میکند، و هر کدام به اندازه یک گرم نمک هستند، و فعالیت مغزی را ثبت و شبیه سازی میکنند. این سنسورها، با دو برابر کردن نوروگرینها (Neurograins) یا الکترودهای بسیار کوچک، به صورت مستقل پالسهای الکتریکی ایجاد شده با نورونهای شلیک شده را ثبت کرده و آنها را به صورت بی سیم برای یک بخش مرکزی میفرستند، که سبب هماهنگی و پردازش سیگنالها میشود.
در مطالعه‌ای که در Nature Electronics انجام شد، تیم تحقیقاتی کاربرد تقریبا 20 نوروگرین خودکار را برای ثبت فعالیت عصبی در جوندگان نشان داد.
این نتایج به گفته‌ی محققان گامی به سوی سیستمی هستند که روزی امکان ثبت سیستمهای مغزی را با جزئیات بی‌سابقه‌ای فراهم میکند، و منجر به دریافت اطلاعات جدیدی درباره‌ی عملکرد مغز و درمان برای افراد مبتلا به آسیبهای مغزی یا نخاعی میشود.
به گفته آرتو نورمیکو، نویسند‌ی ارشد این مطالعه، «یکی از چالشهای بزرگ در زمینه واسطهای مغز – رایانه به روشهای مهندسی کردن راه‌های افزایشِ تا حد امکانِ تعداد نقاط در مغز مربوط میشود. تاکنون، اکثر BCIها به صورت دستگاههای یکپارچه بودهاند – کمی مشابه با بسترهای کوچک سوزنی. ایده تیم ما تفکیک این دستگاه یکپارچه به چند سنسور کوچک بود که در قشر مغزی توزیع میشوند. این همان چیزی است که ما در اینجا نشان دادیم».
این تیم، که شامل متخصصانی از براون، دانشگاه بیلور، دانشگاه کالیفرنیا در سن دیاگو، و کوالکوم است، کار توسعه سیستم را در حدود چهار سال پیش شروع کرد. به گفتۀ نومیکو، این روند دو چالش اصلی را به همراه داشت، بخش اول نیازمند کوچک شدن قطعات الکترونیکی پیچیده در تشخیص، تقویت و انتقال سیگنالهای عصبی به تراشههای نوروگرین سیلیکونی کوچک بود. این تیم در ابتدا قطعات الکترونیکی را روی کامپیوتر طراحی و شبیه سازی کرد، و سپس چند مرحله ساخت برای توسعه تراشههای کاربردی اجرا شد.
چالش دوم توسعه یک مرکز ارتباطات خارج بدن بود که سیگنالها را از تراشههای کوچک دریافت کند. این دستگاه یک قطعه نازک با اندازه سطح انگشت شست است، که به کف سر در خارج از جمجه متصل میشود. این دستگاه مثل یک برج تلفن همراه مینیاتوری عمل کرده، و از یک پروتکل شبکه برای هماهنگی سیگنالها از نوروگرینها استفاده میکند، که هر یک از آنها آدرس شبکه خاص خود را دارند. این قطعه همچنین توان را به صورت بی سیم به نوروگرامها انتقال میدهد، که برای کار با استفاده از کمترین میزان الکتریسیته طراحی میشوند.
به گفت جی هون لی، محقق فوق دکترا در براون و سرپرست نویسندگان این تحقیق، «این کار یک چالش واقعی چند رشتهای بود. ما باید تخصص در زمینه الکترومغناطیس، ارتباطات رادیوفرکانسی، طراحی و ساخت مدار، و علوم عصبی را برای طراحی و کار روی سیستم نوروگرین به کار میبردیم.»
هدف از این مطالعه جدید نشان دادن آن بود که این سیستم سیگنالهای عصبی را از مغز زنده ثبت میکند؛ در این مورد، مغز یک جونده. این تیم 48 نوروگرین را روی قشر مغزی جانور، لایه بیرونی مغز، قرار داد، و به صورت موفق سیگنالهای عصبی خاص را در ارتباط با فعالیت مغزی همزمان به ثبت رساند.
این تیم همچنین قابلیت دستگاهها را در تحریک مغز و نیز ثبت از روی آن آزمایش کرد. تحریک با هر پالس الکتریکی کوچکی انجام میشود که میتواند فعالیت عصبی را تحریک کند. این تحریک بر اساس همان مرکزی کار میکند که ثبت عصبی را هماهنگ کرده و امید آن است که روزی بتواند عملکرد از دست رفته مغز به دلیل بیماری یا آسیب را بازیابی کند.
اندازه مغز جانور باعث شد که این تیم برای این مطالعه به 48 نوروگرین محدود شوند، اما دادهها نشان میدهند که ساختار فعلی سیستم تا حدود 770 مورد را پشتیبانی میکند. در نهایت، این تیم به دنبال افزایش مقیاس تا چند هزار نوروگرین است، که تصویری را از فعالیت مغزی تهیه میکنند که در حال حاضر قابل دریافت نیست.
به گفته وینسنت لونگ، «این یک تلاش چالش برانگیز بود، زیرا سیستم به انتقال توان بی سیم همزمان و شبکه سازی در سطح مگا بیت بر ثانیه نیاز دارد، و این کار با محدودیتهای سطح سیلیکون و توان انجام میشود. تیم ما به دنبال ساخت ایمپلنتهای عصبیِ توزیع شده است.»
منبع: وبسایت رسمی دانشگاه براون
نوشته های مرتبط