الأطراف الاصطناعية والفكر

الأطراف الاصطناعية والفكر : في عام 2014 ، في وقت كأس العالم لكرة القدم ، ربما يحضر المليارات من المشاهدين حدثًا غير مسبوق: انطلاق المباراة الافتتاحية التي قدمها مراهق مشلول يرتدي “زيًا” آليًا. سيُغلف هذا الزي – أو الهيكل الخارجي – ساقيه ويتم التحكم فيه عن طريق الإشارات الكهربائية من دماغه  . سيتم نقلها لاسلكيًا إلى جهاز كمبيوتر صغير (يوضع في حقيبة ظهر) ، والذي سيترجمها إلى أوامر محرك.

عند دخول الميدان ، سيعمل الهيكل الخارجي على استقرار جسم مطلق النار ثم تنسيق حركات الأرجل الآلية. عند وضعه بشكل صحيح ، يجب أن يفكر الرامي في ركل قدمه للكرة. بعد ثلاثمائة مللي ثانية ، ستوجه إشارات الدماغ القدم الروبوتية للهيكل الخارجي لضرب الكرة الجلدية.

لا تزال التحديات التي يجب التغلب عليها كبيرة

لا تزال التحديات التي يجب التغلب عليها كبيرة ، لكننا نعمل بنشاط على حلها ، مع فريقي في جامعة ديوك في الولايات المتحدة ، وكذلك مع الشركاء الأوروبيين والبرازيليين. مثل هذا الحدث من شأنه أن يمثل خطوة مهمة في مكافحة الشلل. لقد أظهر لعدة مليارات من الناس أن سيطرة الدماغ على الآلات قد تركت مرحلة العروض المخبرية والخيال العلمي لدخول حقبة جديدة ، حيث ستعيد بعض الحركة للأشخاص المعاقين. إنهم ضحايا للحوادث أو الحروب ، ومرضى يعانون من أمراض تعطل السلوك الحركي. تتداخل هذه الأمراض مع الإدراك والحركة والكلام. هذا على سبيل المثال التصلب الجانبي الضموري ،

إقرأ أيضا:فوائد الملح

لن تقتصر الأجهزة التعويضية العصبية – أو واجهات الدماغ والآلة – على مساعدة الأشخاص ذوي الإعاقة: فهي ستسمح لك باستكشاف العالم بطرق جديدة ، من خلال زيادة القدرات الحسية والحركية. في هذا السيناريو المستقبلي ، فإن موجات الدماغ الكهربائية التي تكمن وراء الفكر ستناور الروبوتات عن بعد ، وتتحكم في الطائرات ، وربما تسمح بمشاركة الأفكار والمشاعر في شبكة ترتبط فيها العقول بشكل مباشر.

الهيكل الخارجي المخطط للاعب كرة القدم الشاب لدينا ، والذي لم يتم تعيينه بعد ، قيد التطوير. نموذج أولي قيد الإنشاء في مختبر Gordon Cheng ، جامعة ميونيخ التقنية – أحد الأعضاء المؤسسين لمشروع Walk Again ، وهو تعاون دولي يهدف إلى استعادة القدرة على الحركة للأشخاص ذوي الإعاقة. بفضل الأطراف الاصطناعية المدفوعة بالتفكير. يجمع هذا التعاون بين مركز الهندسة العصبية في جامعة ديوك ، والجامعة التقنية في ميونيخ ، والمعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في لوزان ، ومعهد إدموند وليلي سافرا لعلم الأعصاب في ناتال بالبرازيل. سينضم إليها بعض الأعضاء الجدد في الأشهر القادمة.

يعتمد مشروع Walk Again على ما يقرب من عقدين من العمل الرائد على واجهات الدماغ والآلة في جامعة ديوك. يأتي هذا العمل بعد دراسات على الحيوانات تعود إلى الستينيات ، ومنذ عام 1990 ، طورنا طريقة لزرع مئات من أجهزة الاستشعار تسمى أقطاب كهربائية دقيقة ومرنة ورقيقة مثل الشعر في أدمغة الفئران والقرود. تكتشف هذه المستشعرات الإشارات الكهربائية الدقيقة ، أو إمكانات الفعل ، المنتشرة في الخلايا العصبية. يتم توزيع المستشعرات في القشرة الأمامية والقشرة الجدارية للحيوانات ، والتي تنتمي إلى شبكة من المناطق الدماغية المسؤولة عن الحركات الإرادية.

إقرأ أيضا:الأوعية الدموية عند الإنسان

الأطراف الاصطناعية والفكر : ردود الفعل اللمسية الاصطناعية

من خلال هذه الواجهة ، استخدمنا إشارات من الدماغ للتحكم في الأطراف الروبوتية. في عام 2011 ، قمنا بتطوير جهاز حيث تلمس ذراع افتراضية أشياء ، افتراضية أيضًا ، على شاشة الكمبيوتر: والجديد هو أن الجهاز يوفر أيضًا إشارة ردود فعل لمسية اصطناعية ، تنتقل مباشرة إلى الدماغ. تم إرسال الإشارة إلى القشرة الحسية الجسدية ، وهي منطقة دماغية مخصصة لمعالجة التحفيز اللمسي. لقد تعلم قردان استخدام هذا الجهاز. وهكذا تم تدريبهم ليكون لديهم انطباع بلمس شيء ما باستخدام أصابع افتراضية يتحكم فيها دماغهم.

بمساعدة فريق دولي من علماء الأعصاب وعلماء الروبوتات وعلماء الكمبيوتر وجراحي الأعصاب وأخصائيي إعادة التأهيل ، بدأ اتحاد Walk Again في الاستفادة من هذه النتائج الحيوانية ، وتعليم المرضى المشلولين استخدام واجهات الدماغ والآلة. سيبدأ مطلق النار في حفل الافتتاح المستقبلي التدريب في “غرفة الواقع الافتراضي” ، وهي غرفة تُعرض فيها الصور على كل جدار ، بما في ذلك الأرضية والسقف. وسوف تكون مجهزة مع نظارات خاصة ونوع من خوذة، والتي سيتم الكشف عن موجات دماغه غير جراحية، من خلال كهربية ( EEG ) والدماغ المغناطيسي ( ميج). سيتم بعد ذلك الانغماس في بيئة افتراضية. هناك ، سيتعلم التحكم في الصورة الرمزية للكمبيوتر عن طريق التفكير. ستكتسب حركات هذه الصورة الرمزية تعقيدًا تدريجيًا: يجب أن يكون قادرًا على المشي على أرض وعرة أو فتح صنبور.

إقرأ أيضا:شدة الضوء

أقطاب كهربائية في الدماغ

لا يمكن التحكم في حركات الهيكل الخارجي بسهولة مثل تلك الموجودة في الصورة الرمزية للكمبيوتر ، لذلك ستكون التكنولوجيا والتدريب أكثر تعقيدًا. سنحتاج إلى زرع الأقطاب الكهربائية مباشرة في الدماغ. سيكون من الضروري أيضًا زيادة عدد الخلايا العصبية المسجلة في وقت واحد. للقيام بذلك ، سيتم زرع أجهزة استشعار متعددة في القشرة الحركية ، وهي منطقة الفص الجبهي التي تتحكم في الحركة (تنقل هذه المنطقة إشارات إلى النخاع الشوكي ، الذي تقوم عصبوناته بتحفيز وتنسيق عمل العضلات).

صمم جاري لييو ، من فريقي في جامعة ديوك ، نوعًا جديدًا من أجهزة الاستشعار: مكعب تسجيل ، عندما يتم زرعه في القشرة ، يلتقط الإشارات من جميع محيطه المباشر. بينما كانت الأجهزة السابقة تتكون من صفائح مليئة بالأقطاب الكهربائية الدقيقة – تلتقط أطرافها الإشارات الكهربائية من الخلايا العصبية – يتميز مكعب G. Lehew بأقطاب كهربائية دقيقة قادرة على تسجيل النشاط على طولها وفي جميع الاتجاهات.

الأطراف الاصطناعية والفكر : عدة عشرات الآلاف من الخلايا العصبية تتبع في وقت واحد

يحتوي الإصدار الحالي من هذا المكعب على ما يصل إلى 1000 قطب كهربائي دقيق. نظرًا لأنه يمكن تسجيل نشاط ما لا يقل عن أربعة إلى ستة خلايا عصبية بواسطة كل قطب ميكرو ، يمكن للمكعب “قراءة” 4000 إلى 6000 خلية عصبية. إذا نجحنا في زرع العديد من هذه المكعبات في القشرة الأمامية الجدارية ، فسنكون قادرين على قياس نشاط عشرات الآلاف من الخلايا العصبية في نفس الوقت. وفقًا لعمليات المحاكاة الحاسوبية الخاصة بنا ، يجب أن يكون هذا كافيًا للتحكم في هيكل خارجي ثنائي الأرجل بدقة كافية لتوفير حركة مستقلة لمرضانا.

التحدي الآخر هو معالجة سيل البيانات القادمة من أجهزة الاستشعار ، من أجل استخراج الإشارات الحركية. للتغلب على هذه الصعوبة ، نقوم بتطوير جيل جديد من العصبونات. مزروعة في دماغ المريض مع المستشعرات ، ستوفر المعلومات اللازمة للتلاعب بالهيكل الخارجي الذي يغطي الجسم بالكامل.

يجب بعد ذلك نقل إشارات الدماغ المكتشفة إلى الأطراف الصناعية

يجب بعد ذلك نقل إشارات الدماغ المكتشفة إلى الأطراف الصناعية. قام تيم هانسون ، في فريقنا ، ببناء نظام لاسلكي مزود بأجهزة استشعار وشرائح. يمكن إدخال هذا الجهاز في الدماغ ونقل إشارات الدماغ إلى مستقبل بعيد. يتم حاليًا اختباره بنجاح على القرود. في الواقع ، في تجربة حديثة ، قام قرد لأول مرة بتشغيل واجهة بين الدماغ والآلة مع نظام إرسال لاسلكي. في يوليو 2012 ، تقدمنا ​​بطلب إلى الحكومة البرازيلية للحصول على إذن لاستخدام هذه التقنية في البشر.

بالنسبة للاعب كرة القدم الشاب المستقبلي ، سيتم نقل البيانات من أنظمة التسجيل لاسلكيًا إلى وحدة معالجة كمبيوتر صغيرة موجودة في حقيبة ظهر. ستترجم البرامج المختلفة إشارات المحرك إلى أوامر رقمية موجهة إلى مفاصل الهيكل الخارجي ، وهي العناصر التي تضبط موضع الأطراف الاصطناعية.

وبالتالي ، سيكون المريض قادرًا على اتخاذ خطوة ، ثم أخرى ، والإبطاء أو الإسراع ، والميل ، وتسلق السلم ، وما إلى ذلك. يجب أن يظل الهيكل الخارجي ، الذي سيبدو كبدلة رائد الفضاء ، مرنًا ، ولكنه يوفر أيضًا دعمًا جيدًا للموضوع. سيتم التعامل مع بعض التعديلات التقريبية مباشرة بواسطة الدوائر الكهروميكانيكية ، دون تفاعل مع الدماغ. من خلال الجمع بين هذه “ردود الفعل الإلكترونية” والإشارات الدماغية ، نأمل أن يتمكن مطلق النار في كأس العالم من تحريك هيكله الخارجي بقوة الإرادة المطلقة.

لن يضطر مطلق النار هذا إلى التحرك فحسب ، بل سيشعر أيضًا بالأرض تحته. سيعطيها الهيكل الخارجي إحساسًا باللمس والتوازن ، بفضل المستشعرات المجهرية التي ستقيس القوى المرتبطة بالحركة وتنقل هذه المعلومات إلى الدماغ. وبالتالي ، يجب أن يشعر الرامي أن إصبع قدمه قد لمس الكرة.

الأطراف الاصطناعية والفكر : نعتقد أنه بمجرد أن يتفاعل مطلق النار مع الهيكل الخارجي

نعتقد أنه بمجرد أن يتفاعل مطلق النار مع الهيكل الخارجي ، سيبدأ دماغه في دمجه كامتداد لصورة جسمه. سيجعل التدريب الخطوات أكثر سلاسة ، مما يسمح للرامي باستيعاب الأحاسيس المرتبطة بالتلامس مع الأرض وموضع الأرجل الآلية.

ستتطلب جميع مراحل هذا المشروع اختبارات صارمة على حيوانات المختبر ، قبل أن نبدأ عملنا على البشر. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون الإجراءات مقبولة علميًا ومقبولة أخلاقياً للهيئات التنظيمية في البرازيل والولايات المتحدة وأوروبا. على الرغم من استمرار العديد من الشكوك. ولم يتبق لنا سوى القليل من الوقت ، إلا أن مجرد فكرة هذا المشروع قد أثارت اهتمام المجتمع البرازيلي بالعلوم إلى حد نادرًا ما نلاحظه.

سيكون انطلاق كأس العالم لكرة القدم في عام 2014 – أو حدث مماثل ، مثل الألعاب .الأولمبية وأولمبياد المعاقين في ريو دي جانيرو في عام 2016 ، إذا فاتنا الموعد النهائي الأول .- أكثر من مجرد إنجاز بسيط بدون اليوم التالي. أعطت تجربة أجريت على القرود فكرة عن التطبيقات المحتملة لهذه التقنية. في عام 2007 ، قام فريقنا بتدريب قرود الريس على المشي في حلقة مفرغة . بينما تم تسجيل النشاط الكهربائي لأكثر من 200 خلية. عصبية قشرية. تم إرسال البيانات إلى G. Cheng ، الذي كان يعمل بعد ذلك في مختبر IRC ( الروبوتات الذكية والاتصالات ، أو الاتصالات والروبوتات الذكية) التابع لمعهد ATR.. في كيوتو ، اليابان ؛ كنا نستخدم بروتوكول الإنترنت الذي طوره G. Cheng والذي سمح بتبادلات سريعة للغاية. كانت البيانات مخصصة لأجهزة التحكم الإلكترونية في CB1 ، وهو روبوت بشري .

خوارزميات متعددة الاستخدامات

استخدمت وحدات التحكم هذه خوارزميات تم تطويرها مسبقًا لترجمة الأفكار إلى أوامر ذراع آلية. في الجزء الأول من التجربة ، أظهرنا أن هذه الخوارزميات تعمل أيضًا. الحركة على قدمين: لقد حولوا البيانات العصبية التي تم جمعها إلى أوامر تعمل على تشغيل ساقين ميكانيكيتين.

في الجزء الثاني من هذه التجربة ، سارت إيدويا ، أنثى القرد . على جهاز المشي في المختبر ، وكانت واجهة الدماغ والآلة تنقل تدفق النشاط الكهربائي من دماغها إلى كيوتو. هناك ، بدأ CB1 العمل بمجرد اكتشاف أوامر المحرك هذه. في البداية ، كان لابد من الإبقاء عليه عند الخصر . ولكن في التجارب اللاحقة ، تحرك بشكل مستقل ، استجابةً للأوامر الصادرة عن القرد في منتصف الطريق حول العالم.

عندما توقف جهاز المشي وتوقفت Idoya عن المشي . كان لا يزال بإمكانها التحكم في تحركات CB1 في كيوتو: للقيام بذلك ، شاهدت على الهواء أرجل الروبوت المتحرك .على شريط فيديو وتخيلت كل خطوة تخطوها. ‘يجب أن يفعل. لذلك استمر إيدويا في إنتاج أنماط الدماغ المطلوبة لعمل CB1 . على الرغم من أن جسده لم يعد منخرطًا في هذه المهمة الحركية. كشفت هذه التجربة العابرة للقارات أن الإنسان أو القرد يمكنه نقل الأوامر الدماغية من جسمه البيولوجي إلى جهاز اصطناعي بعيد.

الأطراف الاصطناعية والفكر : بفضل واجهات الدماغ والآلة

بفضل واجهات الدماغ والآلة ، يمكننا بالتالي معالجة .الروبوتات المرسلة إلى بيئات يتعذر على البشر الوصول إليها: أفكارنا ، على سبيل المثال ، ستشغل أداة جراحة مجهرية داخل الجسم . أو توجه عاملًا بشريًا يصلح تسربًا في محطة طاقة نووية.

يمكن أن تتحكم هذه الواجهات أيضًا في الأدوات. التي تمارس قوى أكبر أو أضعف بكثير من تلك التي يطبقها جسم الإنسان. من خلال ربط دماغ القرد بإنسان آلي. فقد حررنا أنفسنا بالفعل من قيود الوقت: استغرقت رحلة إيدويا العقلية حول العالم 20 مللي ثانية – وقت أقل من الوقت الذي يستغرقه لتحريك ساقه.

بالإضافة إلى كوننا مصدر إلهام للمستقبل ، فإن عملنا على القردة يمنحنا الثقة في جدوى مشروعنا. حتى كتابة هذه السطور ، ننتظر رد الاتحاد الدولي لكرة القدم ( FIFA ) .على اقتراحنا بإدراج شاب مشلول في انطلاق كأس العالم المقبلة. دعمت الحكومة البرازيلية المشروع. لا تزال الصعوبات الإدارية والشكوك العلمية عديدة. ومع ذلك ، لا يسعني إلا أن أتخيل ما سيشعر به الثلاثة مليارات متفرج .وهم يفكرون في هذا السير القصير ، ولكن التاريخي ، على عشب ملعب لكرة القدم …