ایمپلت‌های مغزی چگونه به بیماران فلج توانایی صحبت‌کردن می‌دهند؟

در سال ۲۰۰۳، زندگی پانچو برای همیشه تغییر کرد. در این سال، تصادف با ماشین این کارگر مزرعه ۲۰ ساله را برای ترمیم آسیبی که به معده او وارد شده بود، تحت عمل جراحی اورژانسی قرار داد. عمل به خوبی پیش رفت؛ اما روز بعد لخته خون ناشی از این رویه موجب شد اکسیژن به ساقه مغز او نرسد و پانجو فلج شود و توانایی حرف زدن خود را از دست بدهد.

در فوریه ۲۰۱۹، عمل دیگری بار دیگر زندگی پانچو را متحول کرد. این بار، به‌عنوان بخشی از یک کارآزمایی بالینی جسورانه، جراحان در دانشگاه کالیفرنیا در سانفرانسیسکو (UCSF) جمجمه او را باز کردند و ورقه نازکی را که حاوی ۱۲۸ میکروالکترود بود، روی سطح مغز او قرار دادند.

این سیستم که در آزمایشگاه ادوارد چانگ، جراح مغز و اعصاب دانشگاه کالیفرنیا ساخته شده بود، به ایمپالس‌های الکتریکی قشر حرکتی پانچو وقتی که او در تلاش بود تا حرف بزند، گوش می‌داد، سپس این سیگنال‌ها را به کامپیوتری ارسال می‌کرد که الگوریتم‌های پیش‌بینی‌کننده زبان آن از سیگنال‌ها رمزگشایی می‌کرد و آن‌ها را به کلمات و جملات تبدیل می‌کرد. اگر این رویکرد موفق می‌بود، پس از ۱۵ سال که پانچو می‌توانست دوباره صدایی داشته باشد.

آزماش موفقیت‌آمیز بود. در مطالعه برجسته‌ای که سال گذشته منتشر شد، چانگ و همکارانش گزارش کردند که این پروتز عصبی پانچو را قادر ساخت تا با تلاش برای گفتن کلمات آن‌ها را روی یک صفحه تایپ کند. این الگوریتم در حدود ۷۵ درصد از موارد، جملات را از واژگان ۵۰ کلمه‌ای به‌درستی تولید می‌کرد. اکنون در گزارش جدیدی که در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است، تیم چانگ این نقطه عطف علمی را جلوتر برده‌اند.

دستگاه آن‌ها که به‌منظور تشخیص حروف الفبای آوایی ناتو (آلفا، براوو، چارلی و …)، اصلاح شده بود، توانست بیش از ۱۱۰۰ واژه را از فعالیت الکتریکی درون مغز پانچو وقتی که او بی‌صدا سعی در گفتن حروف داشت، رمزگشایی کند. جملات پانچو شامل جملاتی مانند «متشکرم» یا «موافقم» بود که پژوهشگران او را به گفتن آن‌ها ترغیب کرده بودند؛ اما سیستم جدید همچنین به او کمک کرد تا جملات خارج از جلسات آموزشی را نیز بگوید. یک روز اواخر تابستان گذشته او به پژوهشگران گفت: «از ویروس در امان بمانید.»

دیوید موزس، مهندس فوق دکتری که با همکاری شان متزگر و جسی آر لیو نرم‌افزار رمزگشایی را توسعه داده است، می‌گوید: «خیلی جالب بود که خود را خیلی معطف‌تر از چیزی که قبلا دیده بودیم، ابراز می‌کند.»

پانچو یکی از معدود افراد روی زمین است که به‌عنوان بخشی از یک آزمایش بالینی، واسط‌های مغز و کامپیوتر (BCI) در ماده خاکستری مغز آن‌ها قرار داده شده است. این داوطلبان در حال گسترش مرزهای فناوری هستند که این پتانسیل را دارد که به افرادی که به دلیل سکته، آسیب نخاعی یا بیماری توانایی صحبت‌کردن را از دست داده‌اند، کمک کند تا حداقل مقداری از آن‌چه را در ذهنشان می‌گذرد، با دیگران به اشتراک بگذارند.

به لطف پیشرفت‌های هم‌راستا در زمینه‌ی علوم اعصاب، مهندسی و هوش مصنوعی در طول دهه گذشته، حوزه واسط‌های مغز و کامپیوتر به سرعت در حال پیشرفت است. سال گذشته، دانشمندان دانشگاه استنفورد مطالعه پیشگامانه دیگری را منتشر کردند که در آن فردی تصور می‌کرد که قلمی در دست دارد و در حال نوشتن واژه‌ها است و واسط مغز و کامپیوتر حرکات ذهنی دست او را به گفتار تبدیل می‌کرد. سرعت این کار حداکثر ۱۸ واژه در دقیقه بود.

در ماه مارس، تیمی از پژوهشگران بین‌المللی برای اولین بار گزارش کردند که یک فرد مبتلا به سندرم قفل‌شدگی (بیماری که تحت دستگاه تنفس مصنوعی قرار داشت و کاملاً فلج بود و فاقد کنترل اختیاری عضلات بود) با استفاده از واسط‌ مغز و کامپیوتر توانست با اشاره به حروف جملات کامل بگوید.

آخرین مطالعه پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا نشان می‌دهد که سیستم هجی‌کردن آن‌ها می‌تواند توسعه پیدا کند و مجموعه واژگان بیشتری دراختیار مردم قرار دهد. در مجموعه‌ای از آزمایش‌های آفلاین، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری با استفاده از فعالیت عصبی ثبت‌شده پانچو نشان می‌دهد که این سیستم باید بتواند تا ۹۰۰۰ واژه را ترجمه کند.

مهم‌تر اینکه سیستم جدید پژوهشگران سریع‌تر از دستگاهی کار می‌کرد که پانچو درحال‌حاضر از آن برای برقراری ارتباط استفاده می‌کند. سیستم کنونی صفحه نمایشی است که او با استفاده از قلمی که با مغزش آن را کنترل می‌کند، به آن ضربه می‌زند.

دکتر ادی چانگ، جراح مغز و اعصاب و رئیس بخش جراحی مغز و اعصاب دانشکده پزشکی دانشگاه کالیفرنیا آماده می‌شود تا ایمپلنت مغزی آزمایشی را به کامپیوتر متصل کند که به بیمار فلجی به نام پانچو کمک خواهد کرد تا با خواندن سیگنال‌های مغزش حرف بزند.

این سیستم هنوز با تولید گفتار طبیعی در زمان واقعی از روی افکار متوالی فاصله زیادی دارد؛ اما به‌تدریج به این مرحله نزدیک می‌شود. آنا لیزه ژیرو، مدیر مؤسسه شنوایی در انستیتو پاستور پاریس که بخشی از کنسرسیوم اروپایی رمزگشایی گفتار از روی فعالیت مغز است، گفت: «به احتمال زیاد، به این فناوری بسیار نزدیک هستیم. با هر کارآزمایی جدید، دانش زیادی درمورد خود فناوری و همچنین درمورد عملکرد مغز و انعطاف‌پذیری آن به دست می‌آوریم.»

خواندن سیگنال‌های مغزی برای تولید گفتار بسیار سخت‌تر از خواندن این سیگنال‌‌ها برای حرکت یعنی فناوری پشت صحنه اندام‌های مصنوعی است که توسط ذهن کنترل می‌شود. یکی از چالش‌های اصلی این است که مناطق مغزی مختلفی در زبان نقش دارند و زبان در شبکه‌های عصبی رمزگذاری می‌شود که حرکات لب‌ها، دهان و مجرای صوتی ما را کنترل می‌کنند، حروف نوشته‌شده را با صداها مرتبط می‌کنند و گفتار را تشخیص می‌دهند. تکنیک‌های کنونی که فعالیت مغز را ثبت می‌کنند، نمی‌توانند با وضوح فضایی و زمانی کافی موردنیاز برای رمزگشایی از سیگنال‌ها، همه نواحی مرتبط را تحت‌نظر داشته باشند.

مشکل دیگر آن است که سیگنال‌هایی که با فکر‌کردن درمورد گفتن کلمات تولید می‌شوند، معمولاً نسبت‌به آن‌هایی که با صحبت‌کردن واقعی تولید می‌شوند، ضعیف‌تر هستند و با خطای بیشتری همراه هستند. به‌منظور استخراج دقیق الگوهای گفتاری تلاش‌شده لازم است که هم سیگنال‌های منتشر و دارای فرکانس پایین و هم سیگنال‌های محلی‌تری که فرکانس بالایی دارند، درنظر گرفته شوند.

راه‌های مختلفی برای انجام این کار وجود دارد، بنابراین این مشکل همچنین یک فرصت است و گزینه‌های متعددی برای رمزگشایی گفتار در سطوح مختلف زبانی وجود دارد: حروف جداگانه، واج‌ها، هجاها و واژه‌ها.

ژیرو گفت این رویکردها همراه با مدل‌های زبانی بهتر که در چند سال گذشته تولید شده‌اند، به غلبه بر مشکلات قدیمی رمزگشایی این حوزه کمک کرده‌اند. درحال‌حاضر، مهم‌ترین تنگنا مهندسی واسط‌های است که برای استفاده طولانی‌مدت مناسب باشد. ژیرو می‌گوید: «چالشی که وجود دارد، پیدا‌کردن بهترین نقطه تعادل بین تهاجمی‌بودن و کارآیی است.» الکترودهایی که به کمک عمل جراحی در اعماق مغز نفوذ می‌کنند، می‌توانند فعالیت نورون‌ها را به شکل انفرادی ثبت کنند و می‌توانند در رمزگشایی از سیگنال‌های گفتار بهتر عمل کنند؛ اما مغز که در مایع نمکی خورنده‌ای قرار دارد، محیط مناسبی برای ابزارهای الکترونیکی نیست.

علاوه‌بر‌این، عمل قرار‌دادن الکترودها درون جمجمه با خطر التهاب، زخم و عفونت همراه است. واسط‌های غیرتهاجمی که فعالیت الکتریکی را از خارج از جمجمه ثبت می‌کنند، فقط می‌توانند شلیک‌شدن جمعیِ گروه‌های بزرگی از نورون‌ها را ثبت کنند. براین‌اساس، واسط‌های غیرتهاجمی درعین ایمن‌تربودن، ضعیف‌تر از انواع تهاجمی هستند.

شرکت‌ها و گروه‌های پژوهشی مختلف روی ساخت الکترودهای سطحی پیشرفته با تراکم بالا کار می‌کنند که نیاز به جراحی و سخت‌افزار جانبی دست‌وپاگیر را حذف می‌کند؛ اما درحال‌حاضر دانشمندانی که این فناوری‌ها را در کلینیک‌ها آزمایش می‌کنند، عمدتا کاربردی‌بودن را قربانی دقت می‌کنند. برای مثال، در کارآزمایی BRAVO در دانشگاه کالیفرنیا داوطلبانی نظیر پانچو ایمپلنتی را دریافت می‌کنند که باید توسط کابل به کامپیوتر وصل شود تا فعالیت مغز او را بخواند.

تیم چانگ می‌خواهد در آینده از نسخه‌ای بی‌سیم استفاده کند که داده‌ها را به یک تبلت می‌فرستد و با خطر چندانی همراه نیست؛ اما این نوع به‌روزرسانی سخت‌افزاری یک‌شبه حاصل نمی‌شود و به‌گفته‌ی موزس به زمان و تلاش نیاز دارد.

توسعه رابط‌های مغز و کامپیوتر غیرتهاجمی که برای استفاده طولانی‌مدت در خارج از آزمایشگاه مناسب باشند، فقط از جنبه فراگیر‌شدن آن‌ها مهم نیست. توسعه‌ی چنین رابط‌هایی همچنین از نظر اخلاقی اهمیت دارد. هیچ‌کس نمی‌خواهد بیماران برای استفاده از ایمپلنت‌های عصبی تحت عمل جراحی و آموزش قرار گیرند؛ اما به دلیل عفونت یا توقف عملکرد الکترودها مجبور شوند که آن‌ها را خارج کنند.

در سال ۲۰۱۳، شرکت NeuroVista که رابط مغز و کامپیوتر می‌سازد، وقتی نتوانست بودجه آزمایش خود را تأمین کند، مجبور شد دست از کار بکشد و بیماران مبتلا به صرع که در کارآزمایی دستگاه او قرار داشتند، مجبور شدند ایمپلنت‌های خود را خارج کنند؛ تجربه‌ای که یکی از بیماران در مصاحبه با نیویورکر آن را ویرانگر خوانده بود. اخیراً شرکت سازنده پروتزهای عصبی که Second Sight نام دارد، سرویس‌دهی به چشم‌های بیونیکی را که به بیش از ۳۵۰ فرد دارای مشکل بینایی فروخته بود، به خاطر درآمد کم متوقف کرد.

رابط‌های مغز و کامپیوتر تازه شروع به‌دادن توانایی گفتار به افرادی کرده‌اند که قدرت حرف زدن خود را از دست داده‌اند؛ اما اگر قرار باشد آن‌ها به وعده‌های خود عمل کنند، باید طوری ساخته شوند که بادوام باشند.