الأطراف الاصطناعية و فك الشفرة : في أحد الأيام من عام 2014 ، في مختبري ، أصيب إريك سورتو بالشلل بعد إصابته برصاصة وجرح في سن 21 ، استخدم عقله ، وهي وحدها ، تشرب بيرة دون مساعدة ، لأول مرة في أكثر من
قبل عام ، قمنا بزرع أقطاب كهربائية في دماغه للتحكم في الإشارات العصبية التي ينتجها الدماغ لتحفيز الحركة. في ذلك اليوم من عام 2014 ، أرسلت واجهة بين الدماغ والآلة (ICM) إشارة عصبية من منطقة معقدة من القشرة الدماغية. ثم امتد ذراع كهروميكانيكي إلى الزجاجة ، وأمسكه ووضعه في شفتي إريك. لقد شاهدت أنا وزملائي في دهشة إنجاز هذه المهمة المعقدة بشكل لا يصدق على الرغم من المظاهر.
جدول المحتويات
يثير هذا المشهد أيضًا على الفور العديد من الأسئلة حول كيف يمكن للأفكار التحكم في الأطراف الاصطناعية
يثير هذا المشهد أيضًا على الفور العديد من الأسئلة حول كيف يمكن للأفكار التحكم في الأطراف الاصطناعية الميكانيكية. كل يوم نتحرك دون تفكير فيه. الهدف من ICM المتقدم هو تحقيق هذه الحركات بسهولة. تحقيقا لهذه الغاية ، حاول علماء الأعصاب على مدى عقود فك شفرة الإشارات العصبية التي تبدأ في إيماءات الوصول إلى الجسم والإمساك به. حفزت التطورات الحقيقية ، على الرغم من محدوديتها ، طرقًا جديدة لاستكشاف النشاط الكهربائي الذي يزداد عندما تتواصل 86 مليار خلية عصبية في أدمغتنا. يحمل الجيل الجديد من ICM وعدًا بعلاقة وثيقة بين الدماغ والجهاز التعويضي ، حيث يستهدف بدقة كبيرة مناطق الدماغ التي هي أصل الحدث.
إقرأ أيضا:الطفل العدوانييمكن لـ ICM القيام بأمرين: “قراءة” الإشارات العصبية في الدماغ واستخدامها للتحكم في ذراع آلية ، أو “الكتابة” في الدماغ ، والتقاط المعلومات من البيئة وإرسالها إلى الدماغ. ICMs التي “تكتب” ، تسمى الكتابةفي اللغة الإنجليزية ، استخدم التحفيز الكهربائي لنقل إشارة إلى أنسجة المخ. تطبيقات هذه التكنولوجيا قيد الاستخدام بالفعل. هذا هو الحال مع بدلة القوقعة الصناعية ، التي تحفز العصب السمعي للسماح للأشخاص المصابين بالصمم بالسمع مرة أخرى. يساعد التحفيز العميق لمنطقة الدماغ التي تتحكم في النشاط الحركي ، العقد القاعدية ، في علاج الاضطرابات الحركية مثل مرض باركنسون أو الرعاش الأساسي. الأجهزة التي تحفز الشبكية قيد التجارب السريرية لعلاج بعض أشكال العمى.
الأطراف الاصطناعية و فك الشفرة : من الدماغ إلى الروبوت
على العكس من ذلك ، فإن ICMs من الفئة الثانية ، تسمى القراءةالتي “تقرأ” وتسجل النشاط العصبي ، لا تزال في مرحلة النمو. يجب أولاً التغلب على العقبات التي تعترض قراءة الإشارات العصبية قبل أن تفيد تقنية الجيل التالي المرضى. تقنيات القراءة موجودة بالفعل ، لكنها لا تزال بدائية. من المسلم به أن مخطط كهربية الدماغ (EEG) يسجل نشاط بضعة سنتيمترات من الأنسجة يتم فيها تنشيط عدة ملايين من الخلايا العصبية. ومع ذلك ، سيكون الأمر يتعلق بتسجيل نشاط الخلايا العصبية الفردية المشاركة في دائرة دماغية واحدة. من ناحية أخرى ، يعد التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) أداة قياس غير مباشرة تسجل زيادة تدفق الدم في منطقة نشطة من الدماغ. وبالتالي نحصل على صور أدق من تلك الخاصة بمخطط كهربية الدماغ ، ولكن لا يزال بدقة منخفضة. التغييرات في تدفق الدم هي ظاهرة بطيئة ، ولا يمكن للرنين المغناطيسي الوظيفي تتبع التغيرات السريعة في نشاط الدماغ.
إقرأ أيضا:نصائح للمقبلين على الزواجللتغلب على هذه الحدود ، سيكون الخيار المثالي هو إدارة تسجيل نشاط الخلايا العصبية الفردية. إن متابعة تطور نشاط عدد كبير من الخلايا العصبية الفردية يوفر صورة دقيقة جدًا لنشاط منطقة محددة جيدًا من الدماغ. في السنوات الأخيرة ، جعل زرع أقطاب كهربائية رفيعة هذا النوع من التسجيل ممكنًا. الشبكات المستخدمة حاليًا عبارة عن أسطح مستوية 4 × 4 مليمترات بها 100 قطب كهربائي. تشكل هذه الأقطاب ، التي يتراوح طولها من 1 إلى 1.5 مم ، نوعًا من سجادة الأظافر التي تسجل نشاط 100 إلى 200 خلية عصبية.
اكتشف نشاط القشرة
يتم بعد ذلك تمرير الإشارات التي تلتقطها هذه الأقطاب إلى “أجهزة فك التشفير” ، والتي تستخدم خوارزميات رياضية لترجمة أنماط مختلفة من تنشيط الخلايا العصبية الفردية إلى إشارة تُستخدم بعد ذلك لقيادة جهاز ، مثل الطرف الآلي أو الكمبيوتر.
يركز مختبرنا أبحاثه على الأشخاص المصابين بالشلل الرباعي ، الذين يعانون من شلل تام بعد إصابة في الجزء العلوي من النخاع الشوكي. نسجل نشاط جزء من القشرة المخية ، وهي مساحة تبلغ سماكتها حوالي 3 مم على محيط نصفي الدماغ. إذا وضعناها بشكل مسطح ، فستصل قشرة كل نصف كرة إلى مساحة 80000 مم 2 . يتجاوز الآن عدد المناطق القشرية المعروفة المسؤولة عن التحكم في وظيفة الدماغ 180. تعالج هذه المناطق المعلومات الحسية ، وتتواصل مع المناطق الأخرى المشاركة في الوظائف المعرفية ، وتتخذ القرارات أو ترسل الأوامر ، لتحفيز إجراء ما.
إقرأ أيضا:النجاح: مقاييس النجاحالأطراف الاصطناعية و فك الشفرة : يمكن للواجهة بين الدماغ والآلة أن تتفاعل مع العديد من مناطق القشرة
يمكن للواجهة بين الدماغ والآلة أن تتفاعل مع العديد من مناطق القشرة. من بينها ، المناطق القشرية الأولية ، المسؤولة عن اكتشاف المدخلات الحسية ، مثل زاوية وكثافة الضوء الذي يصيب الشبكية أو الإحساس الناشئ عن انتهاء العصب المحيطي. يمكن أن تتفاعل أجهزة ICM أيضًا مع المناطق الترابطية شديدة الترابط في القشرة المخية المتخصصة في اللغة ، والتعرف على الأشياء ، والعواطف ، والتحكم في عملية اتخاذ القرار.
بدأت فرق قليلة من الباحثين بالفعل في مراقبة نشاط مجموعات الخلايا العصبية الفردية في المرضى المصابين بالشلل ، مما يسمح لهم بتجربة طرف اصطناعي في البيئة الخاضعة للرقابة في المختبر. ولكن هناك عقبات كبيرة يجب التغلب عليها قبل أن يتم تركيب بدلة عصبية للمريض بنفس سهولة استخدام جهاز تنظيم ضربات القلب. يتخصص فريقي في دراسة المناطق بين القشرة بدلاً من المناطق الحركية ، التي تدرسها مختبرات أخرى. نأمل أن يجعل ذلك من الممكن الكشف بشكل أسرع ودقيق عن انطلاق الإشارات العصبية التي تنقل نية المريض.
نحن نركز على القشرة الجدارية الخلفية ، حيث تبدأ حركاتنا. لقد مكننا عملنا في القرود من تحديد منطقة فرعية من القشرة الجدارية الخلفية ، القشرة الجانبية داخل الجدارية ، التي تستشعر نيتنا لتحريك أعيننا. تبدأ مناطق أخرى من القشرة الجدارية الخلفية بحركات الأطراف. على سبيل المثال ، منطقة الوصول الجداري تعد تلك الخاصة بالذراع. يشارك البعض ، مثل المنطقة الأمامية داخل الفص الجداري ، في إمساك الأشياء ، كما يتضح من دراسة أجراها هيديو ساكاتا ، في كلية الطب بجامعة نيهون (اليابان).
من المختبر إلى المريض
تتمتع القشرة الجدارية الخلفية بالعديد من المزايا المحتملة للتحكم في الدماغ في الروبوتات أو أجهزة الكمبيوتر. أولاً ، يتحكم في كلا الذراعين ، بينما تنشط القشرة الحركية في كل نصفي الكرة الطرف الآخر فقط. كما أنه يعطي مؤشرا على الغرض من الحركة. في القردة ، عندما يحدق الحيوان نظرته على شيء معين ، يتم تنشيط المنطقة على الفور للإشارة إلى موضعه. تشير القشرة الحركية إلى الاتجاه الذي يجب اتباعه حتى يصل الطرف إلى الجسم. تسمح معرفة الغرض من الحركة الحركية لـ ICM بفك تشفيرها بسرعة ، في بضع مئات من الألف من الثانية ، بينما قد يستغرق تفسير إشارة المسار المنبعثة من القشرة الحركية أكثر من ثانية.
لم يكن الانتقال من التجارب على حيوانات المختبر إلى دراسات القشرة الجدارية الخلفية للإنسان أمرًا سهلاً. مرت خمسة عشر عامًا قبل أن نقوم بأول عملية زرع بشرية. لقد زرعنا لأول مرة في القردة السليمة نفس شبكة الأقطاب الكهربائية التي أردنا زرعها في المرضى. تعلمت القرود بسرعة التحكم في جهاز كمبيوتر أو طرف اصطناعي.
بالنسبة لمشروعنا التطوعي البشري ، قمنا بتشكيل فريق من العلماء والأطباء وأخصائيي إعادة التأهيل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وجامعة جنوب كاليفورنيا وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ومركز إعادة التأهيل الوطني رانشوس لوس أميجوس ومستشفى كاسا كولينا ومراكز الرعاية. حصل الفريق على موافقة من إدارة الغذاء والدواء ومكاتب التصميم المؤسسي التي تضمن الامتثال لقواعد السلامة والأخلاق في الهياكل المعنية.
في مقدمة مشروعنا ، المتطوعون هم رواد حقيقيون ، لأنهم لا يستطيعون التأكد من الاستفادة منه. إنهم ملتزمون بمساعدة المستخدمين المستقبليين لهذه التكنولوجيا ، والذين سيستفيدون بمجرد تكييفها للاستخدام اليومي. بالنسبة إلى إريك سورتو ، أول متطوع لدينا ، تمت عملية الزرع الجراحي في أبريل 2013 وقام بها جراحو الأعصاب تشارلز ليو وبريان لي. سارت العملية بسلاسة ، ثم اضطررنا إلى انتظار الشفاء قبل أن نتمكن من اختبار الجهاز.
الأطراف الاصطناعية و فك الشفرة : التعلم الحدسي
أخبرني زملائي في مختبر الدفع النفاث التابع لناسا ، الذين صمموا وأطلقوا روبوتات للهبوط على المريخ ، عن سبع دقائق من الألم التي دخلت خلالها المركبة الفضائية التي تحمل الروبوت الغلاف الجوي للكوكب قبل أن تهبط على سطحه. بالنسبة لي ، كان هناك أسبوعان طويلان من القلق ، وأتساءل عما إذا كانت الغرسات ستنجح. لقد عرفنا بالتأكيد كيف تعمل مناطق الدماغ المتشابهة في الرئيسيات غير البشرية ، ولكن مع زرع بشري دخلنا منطقة مجهولة. لم يحاول أحد حتى الآن التسجيل من مجموعة من الخلايا العصبية في القشرة الجدارية الخلفية.
في اليوم الأول من الاختبار ، اكتشفنا نشاطًا عصبيًا وبحلول نهاية الأسبوع كانت لدينا إشارات كافية للبدء في تحديد ما إذا كان إريك قادرًا على التحكم في طرف آلي. تم تغيير نشاط بعض الخلايا العصبية عندما تخيل إريك تدوير يده. كانت مهمته الأولى هي إدارة يد الروبوت في اتجاهات مختلفة لمصافحة الطالب. لقد كان مسرورًا (وكذلك نحن) ، لأنها كانت المرة الأولى التي يتفاعل فيها مع العالم منذ وقوع الحادث.
غالبًا ما يتساءل الناس عن المدة التي يستغرقها تعلم استخدام واجهة بين الدماغ والآلة. اتضح أن مبدأ استخدام التكنولوجيا مفهوم على الفور. كان تسخير إشارات نية الدماغ للتحكم في الذراع الآلية أمرًا بسيطًا وبديهيًا. من خلال تخيل أفعال مختلفة ، يمكن لإريك رؤية تسجيلات الخلايا العصبية الفردية في قشرته و “تشغيلها” أو “إيقاف تشغيلها” حسب الرغبة.
يستغرق الأمر مزيدًا من الوقت لإتقان التحكم في الذراع
الأطراف الاصطناعية و فك الشفرة : يستغرق الأمر مزيدًا من الوقت لإتقان التحكم في الذراع. في بداية الدراسة ، سألنا المشاركين عما يرغبون في تحقيقه من خلال التحكم في الروبوت. أراد إريك أن يكون قادرًا على شرب الجعة بمفرده ، دون الحاجة إلى طلب المساعدة من أي شخص. تحدٍ خاضه بعد نحو عام لتصفيق وصرخات فرح من الشهود.
بمساعدة فريق شارك في قيادته سبنسر كيليس من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، والذي تضمن علماء الروبوتات من مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز ، عبرنا إشارات إريك. للنوايا مع قوة المعالجة التي توفرها الرؤية الاصطناعية والروبوتات الذكية. تحلل خوارزمية الرؤية البيانات المرسلة بواسطة الكاميرات ويجمع ذكاء الروبوت بين إشارة النية والخوارزميات لبدء حركة الذراع الآلية. تم نشر هذه النتائج الأولى بعد ذلك في مجلة Science في عام 2015.
إريك ليس المستخدم الوحيد لتقنيتنا. نانسي سميث ، التي شاركت في دراستنا لمدة أربع سنوات ، أصيبت بالشلل الرباعي بعد تعرضها لحادث سيارة منذ حوالي عشر سنوات. قبل وقوع الحادث ، قامت بتدريس رسومات الكمبيوتر في المدرسة الثانوية ولعب البيانو. أظهرت دراستنا ، التي أجريت تحت إشراف تايسون أفلالو ، من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، ونادر بوراتيان ، من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس. تمثيلًا فرديًا تفصيليًا لكل إصبع من كلتا يديه في القشرة الجدارية الخلفية لنانسي. من خلال الاعتماد على الواقع الافتراضي ، يمكن أن يتخيل بشكل فردي تحريك الأصابع العشرة للأيدي (واحد يسار والآخر يمين) المعروضة. على الشاشة. من خلال تخيل حركات خمسة أصابع في يد واحدة ، يمكن لنانسي أن تعزف ألحانًا بسيطة على لوحة مفاتيح بيانو تم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر.