ایمپلنت مغزی تازه می‌تواند گفتار و حرکات افراد فلج را به یک آواتار دیجیتال منتقل کند
ایمپلنت مغزی تازه می‌تواند گفتار و حرکات افراد فلج را به یک آواتار دیجیتال منتقل کند
رابط‌های مغز و رایانه در سال‌های اخیر به یکی از جذاب‌ترین حوزه‌های پژوهش در علوم اعصاب و فناوری پزشکی تبدیل شده‌اند. دانشمندان تلاش می‌کنند با ثبت فعالیت الکتریکی مغز، مسیر ارتباطی میان قصد فرد و انجام یک حرکت یا بیان یک واژه را دوباره برقرار کنند. اکنون پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، سان‌فرانسیسکو، گام دیگری در این مسیر برداشته‌اند و سامانه‌ای ساخته‌اند که فقط به بازسازی گفتار محدود نمی‌شود؛ این فناوری می‌تواند برخی حرکات ارتباطی را نیز از روی سیگنال‌های مغزی تشخیص دهد و به وسیله یک آواتار دیجیتال روی نمایشگر نشان دهد.
این رویکرد می‌تواند برای افرادی که به دلیل آسیب شدید عصبی یا بیماری‌های حرکتی توانایی صحبت کردن و حرکت طبیعی خود را از دست داده‌اند، اهمیت زیادی داشته باشد. در این سامانه، فعالیت مغز به جای آنکه تنها به متن یا صدای مصنوعی تبدیل شود، می‌تواند هم‌زمان چند نوع پیام ارتباطی را به نمایش بگذارد؛ از بیان کلمات گرفته تا حرکاتی مانند تکان دادن سر، دست تکان دادن، بالا انداختن شانه یا نشان دادن علامت تأیید.
ارتباط انسان فقط با کلمات انجام نمی‌شود
بخش زیادی از ارتباط روزمره انسان به زبان گفتاری وابسته است، اما گفتار تنها راه انتقال پیام نیست. هنگام صحبت کردن، افراد از حرکات دست، سر، شانه و سایر بخش‌های بدن برای تأکید بر منظور خود استفاده می‌کنند. حتی یک حرکت ساده مانند تکان دادن سر می‌تواند معنای «بله» داشته باشد و دست تکان دادن ممکن است برای سلام یا خداحافظی به کار رود.
افرادی که دچار فلج شدید هستند، ممکن است درک و توانایی ذهنی لازم برای برقراری ارتباط را حفظ کرده باشند، اما نتوانند پیام خود را از طریق عضلات گفتاری یا حرکتی بیان کنند. در چنین شرایطی، فناوری‌های کمکی می‌توانند مسیر دیگری برای انتقال قصد فرد ایجاد کنند.
بسیاری از رابط‌های مغز و رایانه‌ای که تاکنون توسعه یافته‌اند، روی یک عملکرد مشخص تمرکز داشته‌اند. برخی از آن‌ها تلاش کرده‌اند فعالیت مغزی مربوط به گفتار را به متن تبدیل کنند و برخی دیگر برای کنترل نشانگر رایانه، بازوی رباتیک یا ابزارهای کمکی طراحی شده‌اند. پژوهش جدید تلاش می‌کند دامنه این فناوری را وسیع‌تر کند و چند مؤلفه ارتباط انسانی را در یک سامانه واحد قرار دهد.
آواتاری که به جای فرد ارتباط برقرار می‌کند
در فناوری جدید، سیگنال‌های مغزی از طریق الکترودهای کاشته‌شده در مغز دریافت می‌شوند. این الکترودها فعالیت نورون‌ها را در مناطقی ثبت می‌کنند که با گفتار و کنترل حرکات ارتباط دارند. سپس داده‌های خام در اختیار الگوریتم‌های پردازش قرار می‌گیرند تا الگوهای مربوط به قصد فرد شناسایی شوند.
در نهایت، نتیجه این پردازش می‌تواند به آواتاری دیجیتال منتقل شود که روی صفحه نمایش قرار دارد. آواتار می‌تواند عبارت انتخاب‌شده را بیان کند یا حرکتی متناسب با سیگنال دریافت‌شده انجام دهد.
این روش تفاوت مهمی با سامانه‌هایی دارد که خروجی آن‌ها فقط متن است. در ارتباط طبیعی، انسان‌ها علاوه بر واژه‌ها از نشانه‌های غیرکلامی برای انتقال منظور استفاده می‌کنند. بنابراین آواتاری که بتواند هر دو نوع پیام را نشان دهد، در صورت توسعه بیشتر می‌تواند ارتباط را به شیوه‌ای نزدیک‌تر به تعامل معمول انسان‌ها بازسازی کند.
آزمایش روی دو فرد مبتلا به ناتوانی شدید
پژوهشگران برای ارزیابی فناوری، آن را روی دو فرد مبتلا به اختلالات حرکتی شدید آزمایش کردند. یکی از شرکت‌کنندگان پس از سکته در ساقه مغز توانایی‌های حرکتی و گفتاری خود را تا حد زیادی از دست داده بود و فرد دیگر با بیماری نورون حرکتی زندگی می‌کرد.
هر دو نفر در طول آزمایش تلاش کردند مجموعه‌ای از کلمات و حرکات مشخص را اجرا کنند. نکته مهم این بود که برای انجام این کار الزاماً نیازی به حرکت فیزیکی واقعی وجود نداشت؛ سامانه تلاش می‌کرد قصد حرکتی و گفتاری را از فعالیت مغز تشخیص دهد.
نتایج اولیه نشان داد عملکرد سیستم در هر دو شرکت‌کننده یکسان نبود، اما توانایی تشخیص برخی فرمان‌های گفتاری و حرکتی قابل توجه بود. بر اساس گزارش منتشرشده درباره این پژوهش، یکی از شرکت‌کنندگان در تشخیص گفتار به دقت ۱۰۰ درصد رسید. در شرکت‌کننده دیگر، دقت تشخیص گفتار حدود ۷۵ درصد و تشخیص حرکات حدود ۸۵ درصد گزارش شد.
این اعداد به این معنا نیستند که فناوری اکنون قادر است هر جمله یا حرکت دلخواهی را بدون خطا بازسازی کند. آزمایش در شرایط کنترل‌شده و با مجموعه محدودی از واژه‌ها و حرکات انجام شده است. با این حال، نتایج نشان می‌دهند امکان استخراج هم‌زمان اطلاعات کلامی و غیرکلامی از فعالیت مغز وجود دارد.
چرا حرکات بدن اهمیت دارند؟
ممکن است در نگاه نخست، تبدیل حرکات ساده‌ای مانند دست تکان دادن یا بالا انداختن شانه به خروجی آواتار چندان مهم به نظر نرسد. اما در ارتباط واقعی، همین حرکات می‌توانند بخش مهمی از پیام را تشکیل دهند.
فرض کنید فردی بخواهد پاسخ مثبت بدهد. در یک سامانه صرفاً متنی، ممکن است لازم باشد کلمه «بله» تولید شود. اما در گفت‌وگوی طبیعی، تکان دادن سر می‌تواند همین مفهوم را بدون هیچ واژه‌ای منتقل کند. یا فرد ممکن است بخواهد به شخص دیگری سلام کند؛ در این حالت، حرکت دست می‌تواند به اندازه یک کلمه یا حتی بیشتر معنا داشته باشد.
حرکت شانه نیز در برخی موقعیت‌ها برای بیان تردید یا ندانستن استفاده می‌شود. چنین نشانه‌هایی ممکن است در یک ارتباط کاملاً متنی از بین بروند. بنابراین افزودن حرکات ارتباطی به رابط مغز و رایانه می‌تواند امکان انتقال بخش بزرگ‌تری از رفتار طبیعی انسان را فراهم کند.
مغز گفتار و حرکت را کاملاً جدا نمی‌کند
یکی از یافته‌های جالب این پژوهش تنها به عملکرد آواتار مربوط نمی‌شود. داده‌های جمع‌آوری‌شده سرنخ‌هایی درباره سازمان‌دهی فعالیت مغز نیز در اختیار پژوهشگران قرار داده است.
بررسی سیگنال‌ها نشان می‌دهد مناطقی از مغز که در تولید گفتار نقش دارند، با شبکه‌های عصبی مرتبط با برخی حرکات ارتباطی هم‌پوشانی دارند. این موضوع می‌تواند نشان دهد که مغز انسان برای تولید پیام‌های کلامی و غیرکلامی الزاماً از مسیرهای کاملاً مستقل استفاده نمی‌کند.
این یافته برای طراحی نسل بعدی رابط‌های مغز و رایانه اهمیت دارد. اگر فعالیت عصبی مربوط به گفتار و حرکات ارتباطی در بخش‌هایی از مغز به یکدیگر مرتبط باشد، شاید بتوان سامانه‌هایی طراحی کرد که به جای ساخت چند رابط جداگانه، یک شبکه واحد از قصدهای ارتباطی فرد را رمزگشایی کند.
نقش یادگیری ماشین در تبدیل سیگنال به پیام
سیگنال‌هایی که از مغز ثبت می‌شوند، مستقیماً قابل فهم نیستند. فعالیت تعداد زیادی از سلول‌های عصبی به شکل الگوهای پیچیده‌ای در داده‌های الکتریکی ظاهر می‌شود. بنابراین برای تبدیل این داده‌ها به کلمه یا حرکت، باید از روش‌های محاسباتی استفاده کرد.
در این پژوهش نیز الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای شناسایی ارتباط میان فعالیت مغزی و خروجی مورد نظر به کار گرفته شدند. سامانه با داده‌های مربوط به هر شرکت‌کننده آموزش می‌بیند تا بتواند الگوهای عصبی مرتبط با واژه‌ها یا حرکات مشخص را تشخیص دهد.
این فرایند یکی از چالش‌های اصلی فناوری BCI محسوب می‌شود. مغز افراد مختلف دقیقاً به یک شکل فعالیت نمی‌کند و حتی فعالیت مغز یک فرد نیز ممکن است در طول زمان تغییر کند. در نتیجه، سامانه‌ای که برای یک فرد آموزش دیده است الزاماً بدون تنظیمات بیشتر برای فرد دیگری عملکرد مشابهی نخواهد داشت.
هنوز فاصله زیادی تا گفت‌وگوی کاملاً آزاد وجود دارد
نتایج اولیه امیدوارکننده هستند، اما نباید آن‌ها را با یک سیستم ارتباطی کاملاً آماده و عمومی اشتباه گرفت. فناوری فعلی هنوز در مرحله تحقیقاتی قرار دارد و محدودیت‌های متعددی پیش روی آن است.
یکی از مهم‌ترین محدودیت‌ها تعداد واژه‌ها و حرکاتی است که سامانه می‌تواند تشخیص دهد. در یک گفت‌وگوی واقعی، فرد ممکن است هر جمله‌ای را با ساختار و کلمات متفاوت بیان کند و هم‌زمان از حرکات مختلف بدن استفاده کند. بازسازی چنین دامنه گسترده‌ای بسیار پیچیده‌تر از تشخیص مجموعه‌ای از فرمان‌های از پیش تعیین‌شده است.
از سوی دیگر، کاشت الکترود در مغز نیازمند جراحی پیچیده است. بنابراین استفاده گسترده از چنین فناوری‌ای مستلزم بررسی دقیق ایمنی، دوام تجهیزات و عملکرد بلندمدت آن خواهد بود.
آموزش اختصاصی برای هر مغز
یکی دیگر از چالش‌های مهم، وابستگی سامانه به اطلاعات اختصاصی هر فرد است. برای آنکه الگوریتم بتواند سیگنال‌های مغزی را درست تفسیر کند، باید با داده‌های همان فرد آموزش ببیند.
این موضوع در مراحل پژوهشی قابل مدیریت است، اما برای استفاده گسترده می‌تواند یک مانع محسوب شود. اگر راه‌اندازی یک BCI برای هر فرد به جلسات طولانی آموزش و تنظیم نیاز داشته باشد، روند استفاده از آن پیچیده‌تر خواهد شد.
پژوهشگران در آینده باید روش‌هایی پیدا کنند که امکان سازگار شدن سریع‌تر الگوریتم با مغز افراد مختلف را فراهم کند. همچنین لازم است سیستم بتواند در طول زمان تغییرات سیگنال‌های مغزی را دنبال کند و بدون نیاز به آموزش کامل از ابتدا، عملکرد خود را حفظ کند.
هدف فقط بازگرداندن صدا نیست
رویکرد این پژوهش نشان می‌دهد هدف آینده رابط‌های مغز و رایانه می‌تواند فراتر از بازگرداندن یک توانایی خاص باشد. برای فردی که توانایی صحبت کردن را از دست داده است، تولید صدای مصنوعی اهمیت زیادی دارد، اما ارتباط انسانی فقط با صدا شکل نمی‌گیرد.
لحن، حالت چهره، حرکات دست و سر و سایر نشانه‌های غیرکلامی می‌توانند به پیام معنا و احساس اضافه کنند. اگر رابط‌های مغزی بتوانند بخشی از این اطلاعات را نیز رمزگشایی کنند، ارتباط افراد دارای معلولیت شدید می‌تواند طبیعی‌تر شود.
آواتار دیجیتال در این میان نقش واسطه را دارد. فرد لازم نیست بدن خود را به شکل معمول حرکت دهد؛ فعالیت مغزی او می‌تواند به حرکتی در آواتار تبدیل شود که دیگران آن را مشاهده می‌کنند. به این ترتیب، محیط دیجیتال به نوعی جایگزین مسیرهای حرکتی از دست‌رفته می‌شود.
چالش‌های ایمنی و کاربرد بالینی
هرچقدر فناوری BCI پیشرفته‌تر شود، موضوع ایمنی اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. تجهیزات کاشتنی باید برای استفاده طولانی‌مدت قابل اعتماد باشند و خطرات مربوط به جراحی و نگهداری آن‌ها به حداقل برسد.
همچنین باید مشخص شود عملکرد سامانه در محیط‌های واقعی و خارج از شرایط آزمایشگاهی چگونه خواهد بود. گفت‌وگوهای روزمره معمولاً سریع، متنوع و غیرقابل پیش‌بینی هستند. نویزهای محیطی و تغییر وضعیت فرد نیز ممکن است بر عملکرد برخی اجزای سیستم اثر بگذارند.
بنابراین پیش از آنکه چنین فناوری‌هایی به استفاده گسترده پزشکی برسند، مطالعات بیشتری با تعداد شرکت‌کنندگان بالاتر و دوره‌های آزمایشی طولانی‌تر لازم خواهد بود.
آینده ارتباط مغز و رایانه
رابط‌های مغز و رایانه طی سال‌های گذشته از یک ایده آزمایشگاهی به فناوری‌هایی نزدیک‌تر شده‌اند که می‌توانند کاربردهای واقعی داشته باشند. برخی پژوهش‌ها روی تبدیل قصد گفتار به متن تمرکز کرده‌اند و برخی دیگر امکان کنترل اندام‌های مصنوعی یا ابزارهای دیجیتال را بررسی کرده‌اند.
پژوهش جدید مسیر متفاوتی را دنبال می‌کند و تلاش دارد مفهوم «ارتباط» را گسترده‌تر تعریف کند. در این نگاه، یک پیام انسانی فقط مجموعه‌ای از واژه‌ها نیست؛ حرکات و نشانه‌های غیرکلامی نیز بخشی از آن هستند.
اگر این رویکرد در مطالعات آینده تأیید و توسعه پیدا کند، ممکن است آواتارهای دیجیتال به رابطی پیچیده‌تر میان مغز افراد دارای ناتوانی حرکتی و جهان بیرون تبدیل شوند. چنین سامانه‌ای می‌تواند به فرد اجازه دهد نه فقط کلمات، بلکه برخی از رفتارهای ارتباطی معمول را نیز منتقل کند.
گامی به سوی ارتباط طبیعی‌تر
دستاورد پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، سان‌فرانسیسکو را می‌توان بخشی از تلاش گسترده‌تر دانشمندان برای بازسازی مسیرهای ارتباطی از دست‌رفته دانست. آزمایش روی دو شرکت‌کننده نشان داده است که سیگنال‌های مغزی می‌توانند برای تشخیص گفتار و برخی حرکات ارتباطی مورد استفاده قرار گیرند و نتیجه آن‌ها در قالب یک آواتار دیجیتال نمایش داده شود.
البته این فناوری هنوز راه زیادی تا تبدیل شدن به یک ابزار روزمره دارد. تعداد محدود واژه‌ها و حرکات، نیاز به آموزش اختصاصی، پیچیدگی جراحی کاشت الکترود و ضرورت بررسی عملکرد بلندمدت از جمله موانع مهم هستند. همچنین هنوز مشخص نیست چنین سامانه‌ای تا چه اندازه می‌تواند گفت‌وگوی کاملاً آزاد و حرکات طبیعی انسان را بازسازی کند.
با وجود این محدودیت‌ها، جهت‌گیری پژوهش اهمیت زیادی دارد. به جای آنکه فناوری تنها تلاش کند یک توانایی از دست‌رفته مانند صحبت کردن را بازگرداند، اکنون امکان بازسازی چند مسیر ارتباطی به‌صورت هم‌زمان بررسی می‌شود. در صورت پیشرفت این رویکرد، افراد مبتلا به فلج شدید ممکن است در آینده بتوانند از طریق فعالیت مغز خود، نه‌تنها کلمات بلکه بخشی از حرکات و نشانه‌های غیرکلامی را نیز به دیگران منتقل کنند.
پژوهشگران امیدوارند با افزایش واژگان، گسترش دامنه حرکات و بهبود الگوریتم‌های رمزگشایی، رابط‌های مغز و رایانه به سامانه‌هایی تبدیل شوند که استفاده از آن‌ها برای افراد دارای ناتوانی حرکتی آسان‌تر و طبیعی‌تر باشد. در چنین آینده‌ای، آواتار دیجیتال می‌تواند به جای یک نمایشگر ساده، نقش چهره و بدن ارتباطی فرد را ایفا کند و فاصله میان قصد ذهنی و تعامل با دیگران را کاهش دهد.
نتایج این مطالعه در ژورنال Nature Neuroscience منتشر شده است.
https://farcoland.com/6R4jCf
کپی آدرس
