تقنية واجهة الدماغ والحاسوب
توفر واجهات الدماغ والحاسوب (BCIs) رابط اتصال مباشر بين الدماغ والحاسوب أو الأجهزة الخارجية الأخرى. ومن خلال استبدال وتعزيز قدرات العمل البشرية، فإنها توفر درجة عالية من الحرية وتخلق تطبيقات غير عادية في مجالات مختلفة مثل الحوسبة العاطفية، وإعادة التأهيل، والألعاب، والروبوتات، وعلم الأعصاب.
توفر جهود البحث الهامة على نطاق عالمي منصات مشتركة لتوحيد معايير تكنولوجيا واجهات الدماغ والحاسوب، مما يساعد على معالجة الديناميكيات المعقدة وغير الخطية للغاية في الدماغ والتحديات المتمثلة في استخراج وتصنيف الميزات ذات الصلة.
تشكل التقلبات النفسية العصبية المتغيرة مع مرور الوقت وتأثيرها على إشارات الدماغ تحديًا آخر أمام باحثي BCI لتحويل هذه التكنولوجيا من تطبيقات المختبر إلى الحياة اليومية.
ما هي تقنية BCI؟
BCI، أو واجهة الدماغ والحاسوب، هو نظام قائم على الكمبيوتر قادر على تحليل إشارات الدماغ التي يكتسبها وتحويلها إلى أوامر يتم تقديمها إلى جهاز لأداء إجراء محدد.
في الواقع، لا تستفيد واجهات الدماغ والعضلات من العمليات الطبيعية للأعصاب والعضلات المحيطة بالدماغ. لذلك، يمكن أن يقتصر BCI على الأنظمة التي تقيس وتستخدم الإشارات التي يولدها الجهاز العصبي المركزي (CNS).
على سبيل المثال، نظام الاتصال المنشط بالعضلات ليس واجهة دماغية حاسوبية. بالإضافة إلى ذلك، جهاز تخطيط كهربية الدماغ (EEG) وحده ليس واجهة دماغية حاسوبية، لأنه يسجل إشارات الدماغ فقط ولكنه لا ينتج أي مخرجات تؤثر على بيئة المستخدم.
من المفاهيم الخاطئة أن واجهات الدماغ والدماغ هي أجهزة لقراءة العقول. لا تهدف واجهات الدماغ والحاسوب إلى استخراج المعلومات من المستخدمين بشكل غير مقصود، أو قراءة أفكارهم، بل إلى تمكين المستخدمين من التصرف في البيئة باستخدام إشارات الدماغ بدلاً من العضلات.
في الواقع، تعمل واجهة المستخدم والدماغ والحاسوب معًا. يقوم المستخدم، غالبًا بعد فترة تدريب، بإنتاج إشارات دماغية تشفر الهدف، ثم يقوم BCI، بعد التدريب، بفك تشفير الإشارات وترجمتها إلى أوامر لجهاز إخراج يحقق هدف المستخدم.
الإشارات الفسيولوجية التي تستخدمها واجهات الدماغ والحاسوب
من حيث المبدأ، يمكن استخدام أي نوع من إشارات الدماغ للتحكم في نظام BCI أو واجهات الدماغ والحاسوب. الإشارات الأكثر دراسة هي الإشارات الكهربائية، والتي يتم إنشاؤها بشكل أساسي عن طريق التغيرات في قطبية الغشاء العصبي ما بعد المشبكي، والتي تحدث بسبب تنشيط القنوات ذات البوابات الجهدية أو القنوات الأيونية.
إن تخطيط كهربية الدماغ لفروة الرأس، والذي وصفه هانز بيرغر لأول مرة في عام 1929، هو في المقام الأول مقياس لهذه الإشارات. استخدمت معظم أعمال واجهة الدماغ والدماغ المبكرة إشارات تخطيط كهربية الدماغ المسجلة في فروة الرأس، والتي تتميز بسهولة الحصول عليها وأمانها وقلة تكلفتها.
العيب الرئيسي لتسجيلات فروة الرأس هو أن الإشارات الكهربائية تضعف بشكل كبير أثناء مرورها عبر القشرة الصلبة والجمجمة وفروة الرأس. وبالتالي، قد يتم فقدان معلومات مهمة. المشكلة ليست نظرية فحسب.
يعرف أخصائيو الصرع منذ فترة طويلة أن بعض النوبات التي يمكن التعرف عليها بوضوح أثناء التسجيلات داخل الجمجمة لا تظهر في تخطيط كهربية الدماغ في فروة الرأس. ونظرا لهذا القيد المحتمل، استكشفت الأعمال الحديثة في مجال واجهات الدماغ والحاسوب أيضا أساليب التسجيل داخل الجمجمة.
إن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ما هي في الواقع إلا إصدارات أكثر تطوراً من الآلات الحاسبة الجيبية. إنها تعتمد على دوائر ومفاتيح كهربائية يمكن أن تكون قيد التشغيل (واحد) أو متوقفة (صفر). من خلال ربط عدد كبير من هذه الآحاد والأصفار معًا، يمكنهم تخزين ومعالجة أي معلومات.
ومع ذلك، فإن سرعتها محدودة دائمًا بسبب حقيقة أن كميات كبيرة من المعلومات تتطلب عددًا كبيرًا من الآحاد والأصفار لتمثيلها. بدلاً من أن تكون مجرد آحاد وأصفار، يمكن أن توجد وحدات كيوبت الحوسبة الكمومية في العديد من الحالات المختلفة.
استقبال الإشارة واجهات الدماغ والحاسوب
اكتساب الإشارات وقياس إشارات الدماغ باستخدام طريقة استشعار محددة (على سبيل المثال، أقطاب فروة الرأس أو داخل الجمجمة للنشاط الكهربي الفسيولوجي، أو التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي للنشاط الأيضي). يتم تضخيم الإشارات إلى مستويات مناسبة للمعالجة الإلكترونية ويمكن أيضًا إخضاعها للتصفية لإزالة الضوضاء الكهربائية أو غيرها من خصائص الإشارة غير المرغوب فيها مثل تداخل خطوط الطاقة 60 هرتز. ويتم بعد ذلك تحويل الإشارات إلى بيانات رقمية وإرسالها إلى جهاز كمبيوتر.
مستقبل واجهات الدماغ والحاسوب
إن البحث والتطوير في مجال واجهات الدماغ والحاسوب يولد قدرًا هائلاً من الإثارة بين العلماء والمهندسين والأطباء وعامة الناس. يعكس هذا الحماس المستقبل الغني لواجهات الدماغ والحاسوب. وقد يتم استخدامها في نهاية المطاف بشكل روتيني لاستبدال أو استعادة الوظيفة المفيدة للأشخاص الذين أصيبوا بالإعاقة بسبب اضطرابات عصبية عضلية شديدة.
وقد تساعد أيضًا في تحسين إعادة التأهيل للأشخاص الذين يعانون من السكتات الدماغية وإصابات الرأس واضطرابات أخرى. وفي الوقت نفسه، لا يمكن تحقيق هذا المستقبل المثير إلا إذا تمكن الباحثون والمطورون لواجهات الدماغ والحاسوب من حل المشكلات في ثلاثة مجالات حاسمة: أجهزة اكتساب الإشارة، والتحقق من صحة واجهات الدماغ والحاسوب ونشرها، والموثوقية.
أجهزة اكتساب الإشارة
تعتمد جميع أنظمة BCI على أجهزة الاستشعار والأجهزة المرتبطة بها والتي تستقبل إشارات الدماغ. إن التحسينات في هذا الجهاز تشكل أهمية بالغة لمستقبل واجهات الدماغ والحاسوب. من الناحية المثالية، ينبغي أن تحتوي أجهزة BCI التي تعتمد على تخطيط كهربية الدماغ (غير الجراحية) على أقطاب كهربائية لا تتطلب تآكل الجلد أو هلام موصل (أي ما يسمى بالأقطاب الكهربائية الجافة).
ينبغي أن تكون صغيرة وقابلة للحمل. إنها سهلة التركيب، وجميلة من الناحية الجمالية، وسهلة التعديل. العمل لعدة ساعات دون إصلاح. يجب أن تعمل واجهات الدماغ والحاسوب بشكل جيد في جميع البيئات وأن تتواصل بسهولة مع مجموعة واسعة من التطبيقات.
ومن حيث المبدأ، يمكن تلبية العديد من هذه الاحتياجات باستخدام التكنولوجيا الحالية، كما أصبحت خيارات الأقطاب الكهربائية الجافة متاحة.
التحقق من صحة ونشر واجهات الدماغ والحاسوب
ومع تقدم العمل وبدء استخدام واجهات الدماغ والحاسوب في التطبيقات السريرية الحقيقية، يبرز سؤالان مهمان: ما مدى جودة واجهة الدماغ والحاسوب، وما مدى قدرتها وموثوقيتها؟ وأي BCI هو الأفضل لأي غرض؟
للإجابة على السؤال الأول، يجب تحسين أي واجهة دماغية حاسوبية واعدة وتحديد حدود قدرات المستخدمين. إن معالجة السؤال الثاني تتطلب الإجماع بين مجموعات البحث حول البرامج التي ينبغي استخدامها لمقارنة واجهات الدماغ والحاسوب وكيفية تقييم الأداء.
المثال الأكثر وضوحًا هو السؤال حول ما إذا كان أداء BCIs التي تستخدم إشارات داخل القشرة المخية متفوقًا بشكل كبير على BCIs التي تستخدم إشارات ECoG أو حتى إشارات EEG. بالنسبة للعديد من المستخدمين المحتملين، يجب أن توفر واجهات الدماغ والحاسوب الغازية أداءً أفضل بكثير حتى يتم تفضيلها على واجهات الدماغ والحاسوب غير الغازية.
موثوقية واجهات الدماغ والحاسوب
على الرغم من أن مستقبل تكنولوجيا BCI يعتمد بالتأكيد على التحسينات في اكتساب الإشارة ودراسات التحقق الواضحة ونماذج الانتشار القابلة للتنفيذ، إلا أن هذه القضايا تتضاءل مقارنة بتلك المتعلقة بمشكلة الموثوقية. بشكل عام، وبغض النظر عن طريقة التسجيل أو نوع الإشارة أو خوارزمية معالجة الإشارة، فإن موثوقية واجهات الدماغ والحاسوب ضعيفة في جميع التطبيقات باستثناء أبسطها.
يجب أن تكون واجهات الدماغ والحاسوب المناسبة للاستخدام في العالم الحقيقي موثوقة مثل الإجراءات الطبيعية المعتمدة على العضلات. وبدون تحقيق تقدم كبير، فإن الفائدة الحقيقية لواجهات الدماغ والحاسوب سوف تقتصر، في أفضل الأحوال، على وظائف الاتصال الأساسية للأشخاص الذين يعانون من أشد الإعاقات.
خاتمة
ويعمل العديد من الباحثين في مختلف أنحاء العالم على تطوير واجهات الدماغ والحاسوب، والتي كانت تعتبر مجرد خيال علمي قبل بضع سنوات. تستخدم هذه الأنظمة إشارات دماغية مختلفة، وطرق تسجيل، وخوارزميات معالجة الإشارات.
بإمكانهم تشغيل العديد من الأجهزة المختلفة، بدءًا من المؤشر على شاشة الكمبيوتر وحتى الكراسي المتحركة والأذرع الروبوتية. ويستخدم عدد قليل من الأشخاص ذوي الإعاقات الشديدة حاليًا واجهات الدماغ والحاسوب للتواصل والتحكم الأساسيين في حياتهم اليومية.
بفضل أجهزة التقاط الإشارة الأفضل، والتحقق السريري الواضح، ونماذج الانتشار القابلة للتنفيذ، والموثوقية المتزايدة، قد تصبح واجهة الدماغ والحاسوب تقنية جديدة للاتصال والتحكم للأشخاص ذوي الإعاقة وربما للسكان بشكل عام.