سونوگرافی از مغز؛ روش جدیدی برای کنترل ماشین‌ها به‌کمک فکر

پیشرفته ترین دستگاه های کنترل کننده ذهن که بر روی انسان آزمایش می شوند ، به سیم های نازک و ریزی که در مغز وارد شده اند ، متکی هستند. اکنون محققان راه را برای گزینه های غیر تهاجمی تر هموار نموده اند. آنها از تصویربرداری اولتراسوند برای پیش بینی حرکات چشم یا دست میمون استفاده می کنند – اطلاعاتی که می تواند دستوراتی برای بازوی رباتیک یا مکان نمای کامپیوتر ایجاد کند. اگر بتوان این روش را بهبود بخشید ، ممکن است به افرادی که فلج شده اند وسیله جدیدی برای کنترل پروتزها بدون نصب تجهیزات اضافی درون مغز ارائه دهد.

کریشنا شنوی ، متخصص علوم مغز و اعصاب دانشگاه استنفورد ، که در این پروژه دخیل بود ، می گوید: “این مطالعه [سونوگرافی] را به عنوان یک روش رابط مغز و ماشین مطرح می کند و افزودن آن به جعبه ابزار که موجود است شگفت انگیز خواهد بود.”

مدتهاست که پزشکان از امواج صوتی با فرکانسهایی فراتر از محدوده شنوایی انسان برای ایجاد تصاویری از درون بدن ما استفاده می کنند. دستگاهی به نام مبدل ، پینگ های مافوق صوت را به بدن می فرستد و بازتابش آن، مرزهای بین بافت های مختلف و مایعات را نشان دهد.

حدود یک دهه پیش ، محققان راهی برای انطباق با سونوگرافی برای تصویربرداری از مغز پیدا کردند. این روش که به عنوان سونوگرافی عملکردی شناخته می شود ، از یک صفحه صاف و مسطح صدا به جای یک پرتوی باریک استفاده می کند تا یک منطقه بزرگ را با سرعت بیشتری نسبت به سونوگرافی معمولی بگیرد. مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) ، سونوگرافی عملکردی تغییراتی را در جریان خون اندازه گیری می کند که نشان می دهد سلولهای عصبی فعال هستند و انرژی مصرف می کنند. اما این تصاویر با وضوح بسیار بهتر از fMRI ایجاد می کند و نیازی به خوابیدن زیر یک اسکنر عظیم نیست.

این روش هنوز هم به برداشتن یک قطعه کوچک جمجمه احتیاج دارد ، اما برخلاف الکترودهای کاشته شده که فعالیت الکتریکی سلول های عصبی را مستقیماً می خوانند ، شامل باز شدن غشای محافظ مغز نمی شود. نویسنده این روش جدید می گوید که سونوگرافی عملکردی می تواند علائم را از مناطق عمیق مغز بدون نفوذ به بافت آن بخواند.

میخائیل شاپیرو ، مهندس بیوشیمی Caltech ، می گوید ، اندازه گیری فعالیت عصبی از راه دور به معنای افت سرعت و دقت است. در مقایسه با قرائت الکترودها ، سونوگرافی عملکردی “سیگنال مستقیم کمتری” را فراهم می کند ، بنابراین “این سوال وجود داشت که اطلاعات [تصاویر سونوگرافی] واقعاً چه مقدار هستند.” این تصاویر می توانند فعالیت عصبی را هنگامی که مغز برای یک حرکت آماده می شود ، نشان دهند. اما آیا در آن سیگنال جزئیات کافی برای رمزگشایی حرکت مورد نظر وجود دارد؟

برای کشف این موضوع ، محققان مبدلهای کوچک سونوگرافی را که تقریباً به اندازه و شکل یک دومینو است ، در جمجمه دو میمون رزوس ماکاک فرو بردند. این وسیله – که توسط سیم به رایانه متصل شده است – امواج صوتی را به سمت پایین به منطقه ای از مغز موسوم به قشر جداری خلفی هدایت می کند که در برنامه ریزی حرکات میمون ها نقش دارد.

میمون ها آموزش دیده اند تا چشم خود را بر روی یک نقطه کوچک در مرکز صفحه تمرکز کنند در حالی که نقطه دوم به طور کوتاه در سمت چپ یا راست چشمک می زند. وقتی نقطه مرکزی ناپدید شد ، حیوانات چشمهای خود را به نقطه ای منتقل کردند که نقطه دوم اخیراً چشمک زده است. در یک آزمایش دیگر ، آنها دست دراز کردند و یک جوی استیک را به جای چشم خود ، به سمت آن نقطه حرکت دادند.

سپس یک الگوریتم رایانه ای داده های سونوگرافی را به حدس هایی درباره قصد میمون ها ترجمه کرد. این الگوریتم می تواند تعیین کند که حیوانات چه زمانی در حال آماده شدن برای حرکت هستند و آیا آنها قصد حرکت چشم یا رسیدن به بازو را دارند؟ آنها امروز در نورون گزارش دادند ، دانشمندان می توانند حرکات چپ یا راست را با حدود ۷۸٪ دقت در حرکات چشم و ۸۹٪ دقت در رسیدن ، پیش بینی کنند.

در دو مطالعه قبلی از داده های سونوگرافی عملکردی در مغز میمون برای بازسازی آنچه حیوانات مشاهده می کردند یا حرکات چشم آنها استفاده شده است. اما انجام این کار به سیگنال های متوسط ​​در دوره های طولانی یا چندین حرکت احتیاج داشت. در مطالعه جدید ، محققان داده های کافی را برای پیش بینی در هر مرحله از آزمایش هر بار که میمون برنامه ای برای حرکت داشت جمع آوری کردند.

این ویژگی مهمی است ، مورین هاگان ، دانشمند علوم اعصاب در دانشگاه موناش ، که نحوه تنظیم نظم حرکت مغز را مطالعه کرده است ، می گوید. کاربر یک بازوی رباتیک می خواهد فقط یکبار در مورد حرکت مورد نظر خود فکر کند تا مثلاً بازو را حرکت دهد. “شما نمی خواهید افراد برای انجام رمزگشایی از اهداف خود مجبور به انجام بسیاری از اقدامات حرکتی باشند.”

یک قدم بعدی مهم استفاده از پیش بینی های رایانه در زمان واقعی برای هدایت یک ربات یا یک مکان نما است. وی می افزاید که سونوگرافی کاربردی “از نظر سرعت و پیچیدگی حرکاتی که می تواند رمزگشایی کند ،” قبل از شروع نزدیک شدن به سطح آنچه فن آوری های کاشته شده [می توانند] انجام دهند ، راهی برای پیش بردن دارد.

به عنوان مثال ، ایمپلنت های الکترود می توانند حرکات بازوی مورد نظر را از جهات مختلف رمزگشایی کنند. اما برخی از بیماران ممکن است پروتزی را ترجیح دهند که بدون نفوذ به مغز، آنها را به کامپیوتر متصل کند. شنوی می گوید: “این کاملا شخصی است.

از آنجا که سیگنال های جریان خون کندتر از سیگنال های الکتریکی هستند ، سرعت یک محدودیت ذاتی سونوگرافی عملکردی است ،

امیلی میس، عصب‌شناس مؤسسه‌ی نوروبیولوژی ماکس پلانک، می‌افزاید ازآنجاکه سیگنال‌های جریان خون از سیگنال‌های الکتریکی کُندتر هستند، یکی از محدودیت‌های ذاتی اولتراسوند عملکردی سرعت است. به‌گفته‌ی میس، پژوهشگران برای رمزگشایی حرکات مورد میمون‌ها به داده‌های دوره‌ای تقریبا دوثانیه‌ای نیاز دارند. البته تا زمانی‌که کامپیوتری بتواند به‌سرعت براساس نشانه‌های کاربر حرکات بازوی رباتیک را هدایت کند، اولتراسوند هنوز می‌تواند درزمینه‌ی هدایت بازوی رباتیک مفید باشد.

این عصب شناس پیش‌بینی می‌کند که این فناوری در آینده پیشرفت‌های زیادی ازجمله به‌جای اینکه از صفحه‌ای مسطح اطلاعات بگیرد، داده‌های حاصل از تکه‌های سه‌بُعدی بافت را جمع‌آوری کند خواهد کرد و بدین‌ترتیب مقدار اطلاعات اخذ شده بیشتر خواهد بود. به‌گفته‌ی او، این فناوری ظرفیت فراوانی دارد و هنوز به اندازه کافی به نقطه رشد نرسیده است.