واجهة الدماغ والحاسوب: إضافة للطب الحديث، ولكنها أيضًا مغامرة للمرضى المصابين بالشلل

في 17 مايو، صرح ماسك علنًا أنه بعد أول عملية زرع ناجحة لشريحة دماغية في دماغ مريض في وقت سابق من هذا العام، تبحث شركة Neuralink عن شخص ثانٍ لإجراء العملية.

في 20 مايو/أيار، وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على قيام شركة نيورالينك التابعة لإيلون موسك بزراعة شريحة دماغية في مريض ثان، لكن خطاب الموافقة ذكر:تحتاج شركة Neuralink إلى حل خلل عملية زرع واجهة الدماغ والحاسوب الذي حدث في موضوع الاختبار الأول.

"مشكلة الخلل" التي ذكرتها إدارة الغذاء والدواء،وهذا يعني أنه في شريحة زرع دماغ المريض الأول، يعمل حوالي 15% فقط من أسلاك الأقطاب الكهربائية بشكل صحيح، وتم إزاحة 85% من الأسلاك، وتم إغلاق العديد من الخيوط التي لا يمكنها استقبال الإشارات.على الرغم من أن Neuralink لم يتم الإعلان عنها إلا في شهر مارس من هذا العام، إلا أن هذا الرجل، الذي أصبح مصابًا بالشلل الرباعي بسبب حادث غوص قبل ثماني سنوات، تمكن من التحكم في الماوس بعقله، ولعب الشطرنج والألعاب عبر الإنترنت بعد أقل من شهرين من خضوعه لجراحة واجهة الدماغ والحاسوب.

في الحقيقة،لقد كانت سلامة واجهات الدماغ والحاسوب مثيرة للجدل دائمًا.الدماغ هو العضو الأكثر أهمية والأكثر هشاشة في جسم الإنسان. ومن الصعب تحليل دقتها وتعقيدها. عند إجراء عملية جراحية على الدماغ، يجب أن يتم دراسة كل حركة بعناية.

ومن منظور آخر، بمجرد إدخال كابل خلف الدماغ، يمكن للناس تغيير "الواقع" من خلال "الأفكار": فالصم يستطيعون "سماع الأصوات"؛ يمكن للمرضى المصابين بالشلل التحكم بالأذرع الروبوتية؛ يمكن للأشخاص المصابين بفقدان القدرة على الكلام "التحدث"... لقد فتح هذا العلاج آفاقًا جديدة للصناعة الطبية وجلب أملًا جديدًا للمرضى المرتبطين به. ورغم أنه يبدو أن واجهات الدماغ والحاسوب لا تزال بعيدة كل البعد عن النضج الكامل والتجارب البشرية واسعة النطاق، إلا أنها مع الدعم المستمر للإنتاجية التكنولوجية، ترسخت بالفعل بهدوء ونموّت، وأظهرت حيوية قوية ومساحة للنمو.

تفتح تقنية واجهة الدماغ والحاسوب عصرًا جديدًا من التفاعل بين الإنسان والحاسوب

يتم تحقيق الإدراك البشري والتفكير واللغة والقدرات الحركية من خلال التحكم الفعال للدماغ في أعضاء الجسم ومجموعات العضلات.تعمل تقنية واجهة الدماغ والحاسوب على إنشاء مسار اتصال لتبادل المعلومات بين دماغ الإنسان أو الحيوان والأجهزة الخارجية.يمكنه تحويل المعلومات التي يرسلها الدماغ مباشرة إلى أوامر يمكنها تشغيل الأجهزة الخارجية واستبدال الأطراف البشرية أو أعضاء اللغة، وبالتالي تحقيق السيطرة البشرية على البيئة الخارجية.

في عام 1969، أجرى العالم إيبرهارد فيتز تجربة مثيرة للاهتمام: حيث قام بتوصيل خلية عصبية في دماغ قرد بلوحة القيادة. إذا استطاع القرد تحريك الخلية العصبية من خلال طريقة تفكير معينة وجعل مؤشر لوحة القيادة يتحرك، فسوف يحصل على كرة بنكهة الموز كمكافأة. ومن أجل الحصول على المزيد من المكافآت، تعلمت القرود في الواقع كيفية التحكم في إطلاق الخلايا العصبية. وبهذه الطريقة، أصبح القرد عن طريق الصدفة أول "موضوع" في العالم لواجهة الدماغ والحاسوب.

إن نجاح التجارب على الحيوانات يوفر مصدر إلهام مهم لأبحاث واجهات الدماغ والحاسوب في المجتمع البشري.في وقت مبكر من تسعينيات القرن العشرين، حاول طبيب الأعصاب الأمريكي فيل كينيدي زرع واجهة دماغ حاسوبية في دماغ مريض مشلول، مما مكنه من التواصل عن طريق الكتابة باستخدام عقله. ويمثل هذا خطوة مهمة إلى الأمام في مجال تكنولوجيا واجهة الدماغ والحاسوب في المجتمع البشري.

في الوقت الحاضر، تولد تقنية واجهة الدماغ والحاسوب المزيد والمزيد من البيانات، وأصبح إدارة هذه البيانات وتحليلها بشكل فعال يشكل تحديًا كبيرًا. بفضل تطوير تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي، أصبح بإمكان الباحثين تحسين كفاءة أبحاثهم العلمية بشكل مستمر في إنشاء أنماط الإشارة، وتصفية الضوضاء، وتحسين معالجة البيانات، واستخراج المعلومات الفعالة. وفيما يتعلق بدعم السياسات المحلية، أدرجت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات واجهة الدماغ والحاسوب أيضًا كواحدة من الاتجاهات الرئيسية الأربعة في سبتمبر 2023.أصبحت التكنولوجيا الحيوية المتطورة المتمثلة في واجهات الدماغ والحاسوب "ساحة معركة جديدة" للتفاعل بين الجيل القادم من علوم الحياة وتكنولوجيا المعلومات.

من فروة الرأس إلى القشرة، ثلاث استراتيجيات تنفيذية رئيسية لواجهات الدماغ والحاسوب

هناك ثلاثة أشكال رئيسية لواجهات الدماغ والحاسوب: غير الجراحية، والجراحية، وشبه الجراحية.

• غير جراحي: لا حاجة لغزو الدماغ، ولكن من خلال أجهزة يمكن ارتداؤها متصلة بفروة الرأس لتسجيل وتفسير معلومات الدماغ.

وعلى الرغم من أن هذه التقنية تتجنب العمليات الجراحية الخطيرة بسبب إضعاف إشارات الدماغ بواسطة الجمجمة وتشتت الموجات الكهرومغناطيسية وتشويشها، فإن قوة الإشارة والدقة التي يسجلها الجهاز في النهاية منخفضة، مما يجعل من الصعب تحديد منطقة الدماغ المصدر للإشارة أو تفريغ الخلايا العصبية ذات الصلة.

• شبه جراحي: يتم زرع واجهة الدماغ والحاسوب في تجويف الجمجمة، خارج القشرة المخية.

تعتمد هذه التقنية بشكل أساسي على تحليل معلومات تخطيط كهربية قشر الدماغ (ECoG). إن قوة الإشارة والدقة التي تم الحصول عليها أفضل من الطرق غير الجراحية، ولكنها أضعف من الطرق الجراحية. يمكن أن يقلل من فرصة الاستجابة المناعية وتكوين مسامير الجلد.

• التدخل الجراحي: يتم زرع الأقطاب الكهربائية جراحيًا مباشرة في القشرة المخية.

تستطيع هذه التقنية الحصول على إشارات عصبية عالية الجودة، إلا أنها تنطوي على مخاطر أمنية عالية. على سبيل المثال، قد يؤدي غزو المواد الغريبة إلى إثارة استجابة مناعية وتكوين النسيج الندبي، وقد يكون من الصعب شفاء الجرح مما يؤدي إلى سلسلة من ردود الفعل مثل الالتهاب.

ومن بين هذه الحلول، تتبنى شركة Neuralink التابعة لإيلون موسك تقنية واجهة الدماغ والحاسوب الغازية. من خلال عملية فتح الجمجمة، يتم وضع أقطاب كهربائية في الدماغ البشري، ثم يتم الاتصال بخلايا عصبية للحصول على إشارات تخطيط كهربية الدماغ وفك شفرتها. يتخذ ميغيل نيكوليليس، والد واجهة الدماغ والحاسوب، موقفًا متشائمًا تجاه هذا الأمر:"على الرغم من أنني اخترعت واجهة الدماغ والحاسوب الغازية، فإن واجهات الدماغ والحاسوب غير الغازية ستكون التطور السائد في السنوات القليلة المقبلة بالنسبة لمعظم المرضى والمؤسسات التجارية."

تستكشف الجامعات في الداخل والخارج واجهات الدماغ والحاسوب بطرق مختلفة

في السنوات الأخيرة، بالإضافة إلى الشركات التجارية مثل Neuralink، أجرت العديد من مؤسسات البحث العلمي والمؤسسات الأكاديمية المحلية والأجنبية أيضًا عددًا كبيرًا من الأبحاث العلمية والتجارب السريرية القائمة على واجهات الدماغ والحاسوب في المجال الطبي.

ثلاث جامعات تتعاون لتمكين المرضى المشلولين من الكتابة بعقولهم

في مايو 2021، قام علماء مشهورون من جامعة ستانفورد وجامعة براون وكلية الطب بجامعة هارفارد بتطوير تقنية جديدة لواجهة الدماغ والحاسوب.مساعدة المرضى المشلولين على تحويل الأفكار في أذهانهم مباشرة إلى نص على شاشة الكمبيوتر بسرعة 90 حرفًا في الدقيقة، وهو أقل بقليل من متوسط سرعة الكتابة للأشخاص في نفس الفئة العمرية الذين يستخدمون الهواتف المحمولة (115 حرفًا في الدقيقة).

تعتمد هذه التقنية على زرع مجموعات من المحركات الدقيقة في الدماغ.يتم ضمان جودة الاستحواذ وثراء إشارات تخطيط كهربية الدماغ. ومن بينها، مجموعة المحركات الدقيقة التي تشبه رقعة الشطرنج. عندما يتخيل المستخدم الحروف التي يجب كتابتها، يمكن للأقطاب الكهربائية المزروعة في الدماغ التقاط وقياس الأنشطة الكهربائية للعديد من الخلايا العصبية، وتنفيذ تعليمات الدماغ التفصيلية بشكل أكثر دقة، وتلبية متطلبات "الكتابة".

عادة، بعد إزالة الضوضاء من إشارة تخطيط كهربية الدماغ المجمعة، يلزم فك تشفير محتوى "الكتابة". استخدم الباحثون نماذج الذكاء الاصطناعي لتعلم العلاقة بين النشاط العصبي ونشاط الكتابة الفعلي للإصبع، واستخدموا الشبكات العصبية المتكررة لتعلم أنماط النشاط العصبي التي يولدها كل حرف، وقاموا بتحليل العلاقة بين أنماط النشاط هذه في تجارب متعددة، واستخدموا تقليل الأبعاد لتوليد مخططات التجميع. بعد ذلك تستمر الخوارزمية في التنبؤ بالحرف الذي يتخيله المشارك حاليًا وتحويل التنبؤ إلى ناتج مطبوع. وأخيرًا، يقوم نموذج اللغة بتصحيح نتائج الإخراج الأولية لضمان أن يكون النص النهائي المقدم أكثر دقة.

جامعة جونز هوبكنز: استخدام واجهة الدماغ والحاسوب للتحكم في ذراع آلية لتناول الكعك

في يونيو 2022، قام فريق جامعة جونز هوبكنز بزراعة شريحة.تمكن رجل كان يعاني من الشلل لأكثر من 30 عامًا من التحكم بذراع آلية بعقله، وكان قادرًا على تناول الطعام بشكل مستقل.هذا المتطوع هو أول متلقي لزراعة ثنائية في العالم، وهذا يعني أن مجموعات الأقطاب الكهربائية يتم زرعها في كل من نصفي الدماغ الأيمن والأيسر.

في هذه الدراسة،واقترح الباحثون نهجًا جديدًا - استراتيجية التحكم المشتركة.ومن خلال النظر إلى الذراعين البشرية والآلية على أنهما مزيج من الإنسان والآلة، يتم تقليل درجات الحرية التي تحتاج إلى التحكم من 34 إلى 12، ويتم حل درجات الحرية الأخرى، مثل حركة المفصل وضغط الأصابع، بواسطة خوارزمية الحركة العكسية. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تقسيم هذه الدرجات الـ12 من الحرية بشكل ديناميكي. في كل مهمة محددة، سيقوم النظام بتقسيم خطوات التنفيذ. ومن خلال التوجيه الصوتي، يستطيع البشر التحكم في ما يصل إلى ثلاثة منهم في نفس الوقت، ويُترك معظم العمل الآخر للخوارزمية.

وفي النهاية، نجح المشاركون في إكمال 17 مهمة اختبار من أصل 20 مهمة، وتمكنوا من ضبط الذراع الروبوتية حسب تفضيلاتهم، والتحكم في حجم قطع الكعكة، وتحقيق التحكم الدقيق من خلال التشغيل المنسق باليدين. ومن الجدير بالذكر أن استراتيجية التحكم المشتركة المقترحة في هذه الدراسة يمكن أن تقلل من صعوبة فك تشفير واجهة الدماغ والحاسوب، وهو ما يمكن أن يفيد أيضًا الحلول منخفضة التكلفة مع عدد أقل من الأقطاب الكهربائية المزروعة أو دقة أقل.

جامعة تسينغهوا: مريض يعاني من الشلل الرباعي منذ 14 عامًا يشرب الماء بعقله

في مارس 2024، نشر فريق البروفيسور هونغ بو في جامعة تسينغهوا دراسة حالة.خضع مريض كان يعاني من الشلل الرباعي لمدة 14 عامًا لعملية جراحية لزرع واجهة دماغ حاسوبية لاسلكية قليلة التوغل. وبعد التدريب الذي أعقب العملية الجراحية، تمكن بنجاح من الإمساك بزجاجة ماء بمساعدة قفاز ميكانيكي هوائي في شهر واحد فقط.

في هذه الحالة،"أقل تدخلاً" هو جوهر الأمر.ويبلغ حجم النظام بأكمله والآلة الداخلية، التي تدمج أكثر من 300 مكون، حجم عملتين معدنيتين بقيمة يوان واحد فقط. علاوة على ذلك، فإن حل فريق البروفيسور هونغ بو يقع بين التدخل الجراحي وغير التدخلي، والذي يمكن تسميته "شبه التدخلي". ينقسم جهاز واجهة الدماغ والحاسوب بأكمله إلى ثلاثة أجزاء: الأقطاب الكهربائية والآلة الداخلية والآلة الخارجية.

أولاً، استخدم فريق البحث التصوير بالرنين المغناطيسي لتحديد موقع قشرة الإدراك الحركي لدى المريض وتحديد مكان وضع الأقطاب الكهربائية بعد عملية فتح الجمجمة. بعد ذلك، يتم وضع الأقطاب الكهربائية لجمع الإشارات خارج الأم الجافية بين الجمجمة والقشرة الدماغية؛ إن الآلة الداخلية المسؤولة عن معالجة إشارات المخ والتواصل مدفونة على عمق 6 إلى 10 ملم في الجمجمة؛ يتم توصيل الجهاز الخارجي بفروة الرأس، حيث يستقبل ويرسل إشارات تخطيط كهربية الدماغ مع توفير الطاقة للجهاز الداخلي.

جامعة تشجيانغ: جعل "كتابة الحروف الصينية بالعقل" حقيقة واقعة لأول مرة

في أبريل 2024، أصدر فرع الأمراض العصبية التابع لمركز أبحاث الترجمة السريرية لتنظيم الدماغ والآلة بجامعة تشجيانغ أحدث نتائج الأبحاث حول كتابة الأحرف الصينية التي يتحكم فيها الدماغ.

كتب مريض مصاب بالشلل النصفي الشديد بعد حادث سيارة في ذهنه بعقله، وتمكنت الذراع الروبوتية من كتابة الكلمات الثماني "واجهة الدماغ والحاسوب لجامعة تشجيانغ" على لوحة الكتابة ضربة بضربة.

في الواقع، تواجه الكتابة الصينية التي يتم التحكم فيها عن طريق الدماغ العديد من التحديات في الممارسة العملية. أولاً وقبل كل شيء، فإن بنية الأحرف الصينية معقدة، وهناك العديد من التفاصيل التي يجب الانتباه إليها من حيث الجذور والجذور وترتيب الضربات وما إلى ذلك. هناك العديد من الضربات والعديد من الأحرف، ومن الصعب تصنيفها، مما يجعل فك التشفير أكثر صعوبة. ثانياً، يعتمد مبدأ التحكم في تمديد الذراع الآلية والإمساك بها في واجهات الدماغ والحاسوب التقليدية بشكل أساسي على تحليل حركات المفاصل الكبيرة، في حين تتطلب الكتابة بالأحرف الصينية حركات أكثر دقة.

أثناء التجربة، تخيل المتطوعون عملية الكتابة الطبيعية في أذهانهم، مما أدى إلى تحفيز النشاط العصبي في المنطقة الحركية. قام الباحثون بتحليل الإشارات العصبية في المنطقة الحركية للحصول على مسار الكتابة الذي تخيله المشاركون، ثم قاموا بالتحكم في الذراع الروبوتية للكتابة. ويعد هذا العلاج الجديد، الذي يستخرج موجات الدماغ من المرضى المصابين بالشلل للتحكم في الأجهزة الميكانيكية الخارجية لكتابة النصوص وتلبية احتياجات المرضى في التواصل، أمرا بالغ الأهمية للمرضى الذين يعانون من أمراض مثل التصلب الجانبي الضموري.

في الواقع، بالإضافة إلى تحقيق "كتابة العقل"، أطلقت جامعة تشجيانغ أيضًا سلسلة من الأبحاث في مجالات أخرى تتعلق بواجهات الدماغ والحاسوب. في عام 2014، قام فريق من جامعة تشجيانغ بزراعة أقطاب كهربائية دقيقة لتخطيط كهربية الدماغ القشري في الدماغ البشري واستخدموا "قوة العقل" للتحكم في ذراع آلية لإكمال حركات الأصابع الصعبة مثل لعبة "الحجر، المقص، الورقة"، مما أدى إلى إنشاء "الأولى من نوعها في الصين" في ذلك الوقت.

في عام 2020، أكملت جامعة تشجيانغ أول بحث ترجمة سريرية لواجهة الدماغ والحاسوب القابلة للزرع في الصين. تم زرع مجموعة من الأقطاب الكهربائية الدقيقة في القشرة الحركية في دماغ مريض أصيب بالشلل التام في أطرافه الأربعة بسبب حادث سيارة. وبعد تدريب منهجي، أصبح قادرًا على استخدام ذراع آلية لإتمام حركات مثل المصافحة، وحمل المشروبات، وتناول أعواد العجين المقلي، ولعب الماهجونغ.

التحديات الأمنية والأخلاقية: أين مستقبل واجهات الدماغ والحاسوب؟

على الرغم من أن واجهات الدماغ والحاسوب توفر حلولاً أكثر إبداعًا للعديد من المجالات مثل الصحة الطبية، إلا أنها في الوقت نفسه،كما أدى التطور السريع لهذه التكنولوجيا إلى إثارة مخاوف عميقة لدى الجمهور بشأن السلامة الشخصية وأخلاقيات الذكاء الاصطناعي.

المسألة الأولى تتعلق بسلامة الحياة الشخصية للأفراد. خذ Neuralink كمثال. على الرغم من أن عملية الزرع بأكملها تستغرق 15 دقيقة فقط وتسبب صدمة قليلة للمتلقي، فإن عيوب طريقتها الغازية كبيرة أيضًا، ولا يمكن ضمان السلامة بعد فتح الجمجمة على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك، قد ينتج جسم الإنسان أيضًا استجابة مناعية للزرع، مما يشكل تهديدًا محتملًا للحياة. إذا تم استخدام مرافق البرامج والأجهزة ذات الصلة بشكل غير قانوني (مثل إدخال إشارات ضارة، وتغيير عتبات الإشارة)، فقد يتسبب ذلك أيضًا في حدوث ارتباك في الدماغ، وفي الحالات الشديدة قد يعرض سلامة الحياة للخطر. لذلك، قبل إجراء التجارب السريرية على البشر، فإن كيفية تقليل المخاطر على حياة الإنسان وصحته بشكل فعال تشكل مشكلة صعبة تواجه الباحثين المعنيين.

أما المسألة الثانية فهي مسألة الخصوصية والأمن الشخصي. تستخدم تقنية واجهة الدماغ والحاسوب معدات برمجية وأجهزة لجمع وتحليل الإشارات الحيوية الكهربائية للدماغ البشري بشكل مباشر. كما سيتم الحصول على معلومات خاصة مثل الحالة الصحية والمعتقدات والخصائص النفسية بواسطة الجهاز. تصبح أفكار المستخدم معرضة بالكامل تقريبًا للجهاز، مما يشكل حالة من "الشفافية" تقريبًا، وهو ما قد يسبب الذعر بين المستخدمين بسهولة.

وهناك أيضًا قضايا أخلاقية. في الواقع، منذ عام 2022، تسببت شركة Neuralink في جدل كبير بسبب التجارب التي أجرتها على الحيوانات، كما اتهمت منظمة حماية الحيوان الأمريكية PCRM شركة Neuralink بإساءة معاملة القرود. إن كيفية الاستمرار في ضمان الموقف الإنساني في التجارب اللاحقة على الحيوانات هي الإجابة التي يجب على البشر تقديمها.

وعلاوة على ذلك، ينبغي لأبحاث واجهة الدماغ والحاسوب أن تحترم حق الأشخاص في المعرفة والكرامة الشخصية. ينبغي أن تكون التكنولوجيات الرئيسية ومؤشرات الأداء وطرق الاستحواذ الخاصة بالبحوث ذات الصلة مفتوحة وشفافة. عندما يتعلق الأمر بالتقنيات المثيرة للجدل، ينبغي الاستماع إلى آراء أصحاب المصلحة والجمهور على نطاق واسع. ومن الضروري أيضًا منع ظهور مشاكل مثل التحيز والتمييز بين جمهور واجهة الدماغ والحاسوب وغير الجمهور.

وأخيرا، عندما يتم دمج الدماغ البشري والذكاء الاصطناعي بشكل عميق، من سيكون المسيطر؟ هل البشر يسيطرون على الآلات، أم أن الآلات هي التي تتولى السيطرة؟ إذا ارتكب البشر أخطاء أو حتى جرائم بعد زرع واجهة دماغية حاسوبية في أجسامهم، فمن سيتحمل المسؤولية؟ وربما قبل أن يتم تقديم التشريعات واللوائح ذات الصلة، فإن هذه هي المشاكل الصعبة التي يجب التغلب عليها عندما يتم استخدام واجهات الدماغ والحاسوب على نطاق أوسع.

مراجع:
1.https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/110136.htm
2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9927342/
3.https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_27136825
4.https://mp.weixin.qq.com/s/Fg98TfqSiCxFEKJJ0Y6asg