واسط مغز و رایانه
واسط عقل و کامپیوتر یا به اختصار BCI، سیستمی است که از مجموعه‌ای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال، که فعالیت‌های عقلی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنال‌های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می‌کند، تشکیل می‌شود. در این سامانه ابتدا باید امواج عقلی را با استفاده از دستگاه‌های ثبت امواج عقلی ثبت کرد.
معمولاً برای ثبت امواج عقلی، به دلیل دقت زمانی بالا، ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از الکتروانسفالوگرافی استفاده می‌کنند.
های مختلفی می‌توانند باعث صدمه دیدن سیستم عصبی عضلانی که عقل از طریق آن قادر به ایجاد ارتباط و اعمال کنترل به محیط خارج است، شوند. بیماری‌هایی از قبیل سختیدگی جانبی فروافتادگی عضلات، حمله به ساقه عقل، آسیب‌های عقلی-نخاعی، فلج عقلی، دش ماهیچگی و فلج چندگانه مثال‌هایی از انواع بیماری‌هایی هستند که مسیر عصبی کنترل عضلات در آن‌ها آسیب می‌بیند. در شرایط حاد بیماری، فرد مبتلا ممکن است تمام حرکات ارادی خود را از دست بدهد. حتی ممکن است حرکات چشم و تنفس که اعمالی غیرارادی هستند نیز امکان‌پذیر نباشد. به این‌گونه بیماران، اصطلاحاً نشانگان قفل‌شدگی گفته می‌شود. در غیاب روش‌هایی برای جبران فیزیولوژیکی آسیب‌های وارده در اثر این بیماری‌ها، سه انتخاب برای بازآفرینی عملکرد طبیعی بیماران وجود دارد: خصوصیتی که این رابط‌های عقل و کامپیوتر را از سایر وسایل ارتباطی مجزا می‌کند، عدم نیاز به حرکتی آشکار در بدن به منظور انتقال اطلاعات می‌باشد. بدین ترتیب در حالتی ایده‌آل شخص باید بتواند بی حرکت در جای خود نشسته و با تمرکز بر برخی افکار و تولید امواج عقلی مناسب منظور خود را بیان کند. با توجه به عدم امکان تحرک در برخی بیماران، اهمیت این موضوع بیشتر نمایان می‌شود. مطالعات متعددی نشان دهنده تأثیر فعالیت‌ها و تصورات ذهنی گوناگون بر امواج عقلی بوده‌اند. به عنوان مثال، توان باند آلفا در هنگام عملیات لفظی در نیمکره چپ نسبت به نیمکره راست کمتر می‌شود. این در حالی است که دربارهٔ عمل تصور دوران سه بعدی این موضوع برعکس است. به این پدیده اصطلاحاً عدم تقارن باند آلفا می‌گویند. به عنوان مثالی دیگر، تصمیم به حرکت می‌تواند یک ریتم خاص به نام ریتم میو را در سیگنال عقلی کاهش داده یا بلوکه نماید.
تاریخچه BCI به فردی به نام هنز برگرهانس برگر و نوار عقلی (سیگنال الکتروانسفالوگرافی) برمیگردد. الکتروانسفالوگرافی یا EEG ثبت فعالیت‌های الکتریکی عقل است. اولین بار ماهیت الکتریکی بودن این سیگنال‌ها توسط هنز برگر کشف شد. یکی از سیگنال‌هایی که او کشف کرد امواج آلفا عقلی بود (در فرکانس ۸ تا ۱۳ هرتز). اولین بار هنز برگر از سیم‌های نقره ای در زیر جمجمهٔ بیماران خود به عنوان الکترود استفاده کرد و از دستگاه لیپمن (وسیله‌ای برای اندازه‌گیری تحریکات الکتریکی بسیار کم) برای اندازه‌گیری پتانسیل الکتریکی استفاده کرد. اما حتی با سیم پیچ‌های نقره‌ای نیز نتوانست چیزی به دست آورد. سپس از گالوانومتر‌های دقیقتری مثل دستگاه شرکت زیمنس که تا یک ده هزارم ولتاژ را هم آشکار می‌کرد استفاده کرد که مؤثر واقع شد.
تا کنون تحقیقات بسیاری روی میمون‌ها، خفاش و گربه انجام شده‌است که به اختصار به بعضی از آن‌ها اشاره شده‌است. از جمله حرکت دست رباتی توسط یک میمون در سال ۲۰۰۸ در دانشگاه پیتزبرگ(University of Pittsburgh Medical Center) یا حرکت نشانه گر موس روی صفحه فقط از طریق خواندن امواج عقلی میمون از پوسته سر عقل او و دادن فیدبک از طریق بینایی به حیوان (در این روش کم‌کم به حیوان می‌آموزند تا چگونه نشانه گر را روی صفحه کامپیوتر جابه‌جا کند). در سال ۱۹۶۹ در دانشگاه واشینگتن(University of Washington School of Medicine) نشان داده شد که میمون می‌تواند به راحتی کار کردن با یک دست رباتی را یاد بگیرد و در سال ۱۹۷۰ نیز نشان داده شد که اگر حیوان با دادن جایزه‌هایی تشویق شود می‌تواند الگوی عقلی خاصی را تولید کند. در دهه ۸۰ میلادی Apostolos Georgopoulos در دانشگاه جان هاپکینز نشان داد که رابطه‌ای ریاضی بین سیگنال‌های عقلی میمون رزوس (نوع خاصی میمون که در خیلی از مناطق زندگی می‌کند و عقل او تطبیق زیادی با عقل انسان دارد) و جهت حرکت دستهای او، بر اساس تابع کسینوس وجود دارد. او همچنین نشان داد که فعالیت‌های ارادی میمون را می‌توان توسط نورون‌هایی که در بخش‌های مختلف عقل میمون وجود دارد نیز ثبت کرد اما در هر لحظه فقط باید در یک نقطه این اندازه‌گیری انجام شود. البته این نتیجه‌گیری به دلیل محدودیت فیزیکی دستگاه‌های او بود. در دستگاه اعصاب میلیاردها نورون وجود دارند که پیام‌های عصبی را به صورت امواج الکتریکی ملایم منتقل می‌سازند. اما پیام‌های عصبی تنها از یک نورون به نورون دیگر منتقل نمی‌شوند. داندریت‌ها و انتهای آکسونها به چند شاخه منشعب می‌شوند و این شاخه‌ها با چندین نورون ارتباط پیدا می‌کنند، به‌طوری‌که هر نورون با چندین نورون مجاور مرتبط می‌گردد. تعداد ارتباطات نورونی در سراسر دستگاه اعصاب فوق‌العاده زیاد است. مسیرهای متفاوتی که هر پیام عصبی می‌تواند انتخاب کند تقریباً پایان ناپذیرند. اندیشه‌ها، احساسات و یادهای ما به عنوان الگوهای ویژه پیام‌های عصبی باقی می‌مانند و دائماً از طریق چند مسیر معین به عقل انتقال داده می‌شوند. هر پیام از میان میلیاردها آکسون و داندریت فقط یک مسیر خاص را انتخاب می‌کند.
انتقال یافتن هر پیام عصبی در مسیر هر نورون ممکن است شبیه به عبور یکنواخت جریان الکتریسیته از سیم به نظر برسد، اما در حقیقت چنین نیست. آکسون لوله‌ای است باریک و پر از مواد شیمیایی محلول در آب. حرکت سریع امواج پیام عصبی وابسته به حرکت یون‌ها است. یون‌ها ذرات ریزی هستند که بار الکتریکی دارند. دو نوع اصلی یون در انتقال پیام عصبی نقش دارند که عبارتند از یون پتاسیم و یون سدیم، که دو مادهٔ فلزی معمولی هستند. به‌طور طبیعی در درون آکسون پتاسیم زیادتر و در درون آبگون دور آن سدیم بیشتر وجود دارد. بار الکتریکی درون آکسون اندکی منفی است، اما سطح خارجی آن بار الکتریکی مثبت دارد. در لحظهٔ ورود پیام عصبی، غشای آکسون تغییر پیدا می‌کند تا یون‌ها بتوانند از آن نشت کنند، یعنی هنگامی که یون‌های پتاسیم از آکسون خارج می‌شوند، یون‌های سدیم وارد آن می‌گردند. این رویداد توازن الکتریکی را در آن نقطه ناگهان تغییر می‌دهد، یعنی بار الکتریکی درون غشای سطحی از منفی به مثبت تبدیل می‌شود. در حالی که پیام عصبی پیش می‌رود، یون‌ها به جای نخست بازمی‌گردند و توازن الکتریکی ابقا می‌گردد. این حالت تبدیل یونی مثل یک موج در سراسر آکسون پیش می‌رود و حرکت پیام عصبی را باز می‌نماید. تمام این فرایندها در یک هزارم ثانیه به وقوع می‌پیوندد. نورون‌ها در عمل یکدیگر را لمس نمی‌کنند. میان هر نورون فضای کوچکی وجود دارد که سیناپس خوانده می‌شود. در این نقطه پیام عصبی به کمک مواد شیمیایی خاصی به نام انتقال دهنده‌های عصبی از یک سوی سیناپس به سوی دیگر آن می‌جهد.
عقل انسان را می‌توان از نظر سازمانی به سه بخش کلی تقسیم کرد: ساقهٔ عقل، مخچه و غشای عقل. ساقهٔ عقل عملاً امتداد و جزئی از نخاع و بخشی از عقل است که پیش از همه تکامل می‌یابد و ساختاری به نام بصل النخاع را دربردارد که سامانه‌های تنظیم‌کننده لازم برای ادامهٔ حیات را شامل می‌شود، مثل سامانه‌های تنفس، ضربان قلب و تنظیم دمای بدن. در بالای ساقهٔ عق، تودهٔ ویژه‌ای به نام مخچه وجود دارد. این پردازشگر سیگنال جالب توجه، در حفظ تعادل و انجام حرکات آرام و هماهنگ نقش حیاتی دارد. تالاموس به عنوان یک نقطه انتخاب اولیه برای تمام اطلاعات حسی (بینایی، شنوایی و حس‌های پیکری) که در نهایت به بخش پیچیده‌تر بیرونی مغز یعنی قشر می‌رسند، عمل می‌کند. بخشی از عقل که سطح آن از همه بالاتر و حجیم‌تر است، مخ نامیده می‌شود و از دو نیم‌کره عقلی راست و چپ تشکیل می‌شود. غشا عقلی لایهٔ سطحی هر نیم‌کره را تشکیل می‌دهد. گرچه عملکرد ساختار پیچیده غشای عقل به‌طور کامل درک نشده‌است ولی می‌توان آن را به لوب‌های زیر از نظر کاری که انجام می‌دهند تقسیم کرد: همان‌طور که مشاهده می‌شود هر سانتیمتر مربع از عقل، از نظر عملکردی مشخص و متمایز نشده‌است. بخش‌های باقی‌مانده را معمولاً نواحی وابسته می‌نامند. بعضی اظهار داشته‌اند که این نواحی در گردآوری اطلاعات از دیگر بخش‌ها برای اصلاح فرایندهای عصبی نقش دارد. در شکل ۳ این نواحی را روی عقل نشان داده شده‌است.
برای داشتن امکان مقایسه نتایج ثبت سیگنال عقلی و امکان تعمیم نتایج در سال ۱۹۴۹م. یک شیوه الکترودگذاری به عنوان استاندارد بین‌المللی شناخته شد. این چیدمان جهانی الکترودها که به عنوان استاندارد ۱۰–۲۰ شناخته شد، امکان پوشاندن تقریباً تمام نواحی سر را توسط الکترودها فراهم می‌کند (شکل ۸). انتخاب محل الکترودها بر اساس نقاط ویژه استخوان جمجمه انجام پذیرفته‌است. الکترودها در نواحی تلاقی سطوح استخوان جمجمه قرار می‌گیرند که سایر الکترودهای میانی بر اساس ۱۰ و ۲۰ درصد کل فاصله چیده خواهند شد. شکل ۴ نواحی مختلف قرارگیری الکترودها را نشان می‌دهد. نام هر منطقه بر اساس لبی که در آن قرار گرفته‌است و قرار داشتن در نیم‌کره راست یا چپ مشخص می‌شود به این صورت که در نیم‌کره چپ با اعداد فرد و در نیمکره راست با اعداد زوج نشان داده می‌شود.
سیگنال‌های EEG که می‌توان به عنوان ورودی سیستم BCI استفاده کرد را می‌توان به دسته‌های زیر تقسیم کرد:
پتانسیل‌های برانگیخته در حقیقت تغییراتی در سیگنال EEG هستند که در پاسخ به یک «اتفاق» عقلی یا محرک خاص روی می‌دهند. این تغییرات آنقدر کوچکند که برای آشکارسازی آن باید نمونه‌های بسیاری از EEG در تکرارهای زیاد میانگین‌گیری شوند. این میانگین‌گیری پرش‌های تصادفی سیگنال EEG که وابسته به محرک نیستند را از بین می‌برد؛ بنابراین بررسی سیگنال‌های ناشی از تحریک عقل همان تجزیه و تحلیل حوزه زمان سیگنال EEG می‌باشد. به عنوان نمونه‌ای از این پتانسیل‌ها می‌توان به پتانسیل P300 اشاره کرد؛ که با تأخیری حدود ۳۰۰ میلی‌ثانیه و با پیک مثبت روی جمجمه قابل ثبت خواهد بود.
ها نیست.» این سامانه از اجزای زیر تشکیل می‌شود:
این سامانه به این صورت عمل می‌کند که ۴ صفحهٔ شطرنجی که با فرکانس‌های مختلف در حال چشمک زدن هستند به همراه شی‌ای که کاربر می‌خواهد آن را کنترل کند، حرکت می‌کنند. زمانی که کاربر توجه خود را به یک تصویر خاص متمرکز می‌کند یا به آن خیره می‌شود، یک مؤلفهٔ تناوبی با همان فرکانسی که تصویر در حال چشمک زدن است، در سیگنال EEG، خصوصاً در ناحیهٔ بینایی از عقل مشاهده می‌شود. این تصاویر چشمک زن می‌توانند برای کنترل جهت ماشین استفاده شود. زمانی که کاربر به صفحهٔ بالای ماشین خیره می‌شود، ماشین به سمت بالا حرکت می‌کند و بدین ترتیب می‌تواند جهت حرکت ماشین را کنترل کند.
[3] Davila, C. E. and Srebro, R. "Subspace averaging of steady-state visual evoked potentials." Biomedical Engineering, IEEE Transactions on, Vol. 47, Iss. 6, pp. 720–728. (2000).
[4] Muller, G. R. , Neuper, C. , and Pfurtscheller, G. , "Implementation of a telemonitoring system for the control of an EEG-based brain-computer interface," IEEE Trans Neural Syst.Rehabil.Eng, vol. 11, no. 1, pp. 54–59, 2003.
[5] Krausz, G. , Scherer, R. , Korisek, G. , and Pfurtscheller, G. , "Critical decision-speed and information transfer in the "Graz Brain-Computer Interface"," Appl Psychophysiol.Biofeedback, vol. 28, no. 3, pp. 233-240, 2003.
[6] Obermaier, B. , Muller, G. R. , and Pfurtscheller, G. , ""Virtual keyboard" controlled by spontaneous EEG activity," IEEE Trans Neural Syst.Rehabil.Eng, vol. 11, no. 4, pp. 422-426, 2003.
[7] Eric W. Sellers , Emanuel Donchin ,”A P300-based brain–computer interface: Initial tests by ALS patients”,Elsevier,pp. 476–483, 2006
[8] F. Piccione a,*، F. Giorgi a, P. Tonin a, K. Priftis a,b, S. Giove c, S. Silvoni d, G. Palmas d, F. Beverina,” P300-based brain computer interface: Reliability and performance inhealthy and paralysed participants”,Elsevier, pp. 531–537, 2006
[9] Po-Lei Lee, Jen-Chuen Hsieh, Chi-Hsun Wu, Kuo-Kai Shyu,Yu-Te Wu,“Brain computer interface using flash onset and offset visual evoked potentials”, Elsevier, pp. 605–616, 2008
[10] http://www.bci-info.org
[11] Raymond Carl Smith, “Electroencephalograph based Brain Computer Interfaces”, thesis, University College Dublin (NUI) , Electrical and Electronic Engineering, 2004
Maghzrayaneh