تصویربرداری اولتراسوند از مغز؛ تکنیک جدید کنترل ماشین‌ها به‌کمک فکر

پیشرفته‌ترین دستگاه‌های کنترل ذهن که در انسان‌ها آزمایش می‌شوند، بر سیم‌های ریزی متکی هستند که وارد مغز می‌شود. اکنون پژوهشگران راه را برای گزینه‌ای کمتر تهاجمی هموار کرده‌اند. آن‌ها از تصویربرداری اولتراسوند برای پیش‌بینی حرکات چشم یا دست میمون‌ها استفاده کردند. این اطلاعات می‌تواند دستورهای لازم برای حرکت‌دادن بازوی رباتیک یا مکان‌نمای کامپیوتر را فراهم کند.

اگر بتوان روش جدید را بهبود بخشید، ممکن است ابزار جدیدی برای کنترل اعضای مصنوعی بدون نیاز به تجهیزاتی که به درون مغز نفوذ می‌کنند، در‌اختیار افراد دچار فلجی قرار داد. کریشنا شنوی، دانشمند عصب‌شناس دانشگاه استنفورد می‌گوید: «این مطالعه اولتراسوند را به‌عنوان یکی از تکنیک‌های رابط مغز و ماشین مطرح می‌کند. افزودن این ابزار به جعبه‌ابزاری که در این زمینه داریم، جذاب است.»

پژوهشگران تصاویر اولتراسوند مغز میمون را به پیش‌بینی‌هایی درباره‌ی حرکاتی تبدیل کردند که جانور قصد داشت آن‌ها را انجام دهد

مدت‌ها است که پزشکان از امواج صوت با فرکانس‌هایی فراتر از محدوده‌ی شنوایی انسان برای ایجاد تصاویری از اعضای درونی بدن استفاده می‌کنند. دستگاهی به نام مبدل پالس‌های صوتی را به داخل بدن می‌فرستد که سپس منعکس می‌شوند و مرز میان بافت‌های مختلف و مایعات را نشان می‌دهند.

به‌گزارش ساینس، حدود یک دهه پیش، پژوهشگران راهی برای مطابقت‌دادن اولتراسوند برای تصویربرداری مغز پیدا کردند. این روش اولتراسوند عملکردی نامیده می‌شود و به‌جای پرتوی باریک، از صفحه‌‌ی صاف و مسطح صوت استفاده می‌کند تا درمقایسه‌با اولتراسوند معمول منطقه‌ی بزرگ‌تری را با سرعت بیشتری ثبت کند.

اولتراسوند عملکردی همچون تصویرسازی تشدید مغناطیسی عملکردی (fMRI) تغییر در جریان خون را اندازه می‌گیرد که نشان می‌دهد نورون‌ها چه زمانی فعال و در حال مصرف انرژی هستند. بااین‌حال، این روش درمقایسه‌با fMRI تصاویری با وضوح بسیار بهتر ایجاد می‌کند و نیازمند این نیست که شرکت‌کنندگان در اسکنر بزرگی دراز بکشند.

ریچارد آندرسن، دانشمند عصب‌شناس مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا و از نویسندگان مطالعه‌ی جدید، می‌گوید این تکنیک هنوز به برداشتن قطعه‌ی کوچکی از جمجمه نیاز دارد؛ ولی برخلاف الکتروهادی کاشتنی که مستقیما فعالیت الکتریکی نورون‌ها را می‌خوانند، بازکردن غشای محافظ مغز را شامل نمی‌شود.

اولتراسوند عملکردی می‌تواند بدون نفوذ به بافت اطلاعات مناطق عمیق مغز را بخواند. با‌این‌حال، میخائیل شاپیرو، مهندس بیوشیمی مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا و از نویسندگان مطالعه، اعتقاد دارد اندازه‌گیری فعالیت عصبی از فاصله‌ی دور به‌معنای این است که قدری سرعت و دقت را از دست می‌دهیم.

اولتراسوند عملکردی درمقایسه‌با خوانش الکترودها سیگنال غیرمستقیمی فراهم می‌کند؛ بنابراین، این سؤال مطرح می‌شده است: تصاویر اولتراسوند حاوی چقدر اطلاعات هستند؟ این تصاویر می‌توانند فعالیت عصبی مغز را وقتی نشان دهند که مغز برای حرکت آماده می‌شود. باوجوداین، آیا در این سیگنال جزئیات کافی وجود دارد که کامپیوتر براساس آن بتواند حرکتی را رمزگشایی کند که فرد قصد دارد انجامش دهد؟

برای پی‌بردن به این موضوع، پژوهشگران مبدل‌های اولتراسوند کوچکی را که تقریبا به‌اندازه و شکل مهره‌ی دومینو بود، در جمجمه دو ماکاک رزوس قرار دادند. این ابزار که به‌وسیله‌ی سیمی به کامپیوتر متصل بود، امواج صوتی را به منطقه‌ای از مغز می‌فرستاد که قشر آهیانه‌ای خلفی نام دارد و در برنامه‌ریزی حرکات مؤثر است.

میمون‌ها آموزش دیده بودند تا چشمانشان را روی نقطه‌ی کوچکی در مرکز صفحه‌ متمرکز کنند؛ درحالی‌که نقطه‌ی دومی به‌طور کوتاه در سمت راست یا چپ چشمک می‌زد. وقتی نقطه‌ی مرکزی ناپدید می‌شد، جانوران چشمانشان را به‌سوی نقطه‌ای حرکت می‌دادند که نقطه‌ی دوم اخیرا در آن چشم زده بود.

در مجموعه آزمایش‌های دیگر، آن‌ها دست خود را دراز می‌کردند و به‌جای چشم، دسته‌ی بازی را به‌سمت نقطه حرکت می‌دادند. سپس الگوریتم کامپیوتری داده‌های اولتراسوند را به حدس‌هایی درباره‌ی قصد میمون‌ها ترجمه می‌کرد. الگوریتم می‌توانست پیش‌بینی کند که حیوانات چه زمانی درحال آماده‌شدن برای حرکت هستند و آیا قصد دارند چشمشان را حرکت دهند یا دستشان را دراز کنند. پژوهشگران در مجله‌ی Neuron گزارش کردند که الگوریتم توانست با دقت حدود ۷۸ درصد برای حرکات چشم و ۸۹ درصد برای درازکردن دست پیش‌بینی کند که حرکت به‌سمت راست یا چپ خواهد بود.

در دو مطالعه‌ی گذشته، از داده‌های اولتراسوند عملکردی مغز میمون‌ها برای بازسازی آنچه حیوانات به آن نگاه می‌کردند یا حرکات چشمشان استفاده شده بود. بااین‌حال، انجام این کار به میانگین‌گیری سیگنال‌ها در دوره‌های طولانی یا چند حرکت نیاز داشت. در مطالعه‌ی جدید، پژوهشگران داده‌های کافی را برای پیش‌بینی در هر دور آزمایش جمع‌آوری کردند؛ یعنی هر بار که میمون قصد داشت حرکت کند. مورین هاگن، دانشمند علوم اعصاب دانشگاه موناش استرالیا، مطالعه کرده است که مغز چگونه حرکات را سازمان‌دهی می‌کند. او می‌گوید این ویژگی مهمی است؛ مثلا کاربر بازوی رباتیکی می‌خواهد که فقط یک بار به حرکتی فکر کند که قصد دارد انجام دهد تا بتواند آن را انجام دهد.

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.

میس پیش‌بینی می‌کند که این فناوری در آینده پیشرفت‌های زیادی کند؛ ازجمله به‌جای اینکه از صفحه‌ای مسطح اطلاعات بگیرد، داده‌های حاصل از تکه‌های سه‌بُعدی بافت را جمع‌آوری کند که بدین‌ترتیب مقدار اطلاعات بیشتر خواهد بود. به‌گفته‌ی او، این فناوری ظرفیت فراوانی دارد و هنوز به ظرفیت کاملش نرسیده است.