حوّل الباحثون سلسلة من صور الموجات فوق الصوتية من دماغ القرد إلى تنبؤات حول الحركات المقصودة.
تعتمد أكثر الأجهزة التي يتحكم فيها العقل تقدمًا والتي يتم اختبارها على البشر على أسلاك دقيقة يتم إدخالها في الدماغ. لقد مهد الباحثون الآن الطريق لخيار أقل توغلًا. لقد استخدموا التصوير بالموجات فوق الصوتية للتنبؤ بحركات العين أو اليد المقصودة للقرد - وهي معلومات يمكن أن تولد أوامر لذراع آلية أو مؤشر كمبيوتر. إذا كان من الممكن تحسين هذا النهج ، فقد يقدم للأشخاص المصابين بالشلل وسيلة جديدة للتحكم في الأطراف الاصطناعية بدون معدات تخترق الدماغ.
يقول كريشنا شينوي ، عالم الأعصاب بجامعة ستانفورد ، الذي لم يشارك في العمل الجديد: "ستضع هذه الدراسة [الموجات فوق الصوتية] على الخريطة باعتبارها تقنية واجهة بين الدماغ والآلة". "إضافة هذا إلى مجموعة الأدوات أمر مذهل."
استخدم الأطباء منذ فترة طويلة الموجات الصوتية ذات الترددات التي تتجاوز نطاق السمع البشري لإنشاء صور لأجزاءنا الداخلية. يقوم جهاز يسمى محول الطاقة بإرسال أصوات فوق صوتية إلى الجسم ، والتي ترتد مرة أخرى للإشارة إلى الحدود بين الأنسجة والسوائل المختلفة.
منذ حوالي عقد من الزمان ، وجد الباحثون طريقة لتكييف الموجات فوق الصوتية لتصوير الدماغ. يستخدم هذا النهج ، المعروف باسم الموجات فوق الصوتية الوظيفية ، مستوى صوتيًا واسعًا ومستويًا بدلاً من شعاع ضيق لالتقاط منطقة كبيرة بسرعة أكبر من الموجات فوق الصوتية التقليدية. مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) ، تقيس الموجات فوق الصوتية الوظيفية التغيرات في تدفق الدم التي تشير إلى متى تكون الخلايا العصبية نشطة وتستهلك الطاقة. لكنها تخلق صورًا بدقة أكثر دقة من التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ولا تتطلب من المشاركين الاستلقاء في ماسح ضوئي ضخم.
لا تزال هذه التقنية تتطلب إزالة قطعة صغيرة من الجمجمة ، ولكن على عكس الأقطاب الكهربائية المزروعة التي تقرأ النشاط الكهربائي للخلايا العصبية مباشرة ، فإنها لا تتضمن فتح الغشاء الواقي للدماغ ، كما يشير عالم الأعصاب ريتشارد أندرسن من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) ، وهو أحد المشاركين. -مؤلف الدراسة الجديدة. يمكن أن تقرأ الموجات فوق الصوتية الوظيفية من مناطق عميقة في الدماغ دون اختراق الأنسجة.
ومع ذلك ، فإن قياس النشاط العصبي عن بعد يعني التضحية ببعض السرعة والدقة ، كما يقول المؤلف المشارك لأندرسن ، مهندس الكيمياء الحيوية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، ميخائيل شابيرو. وبالمقارنة مع قراءات الأقطاب الكهربائية ، فإن الموجات فوق الصوتية الوظيفية توفر "إشارة أقل مباشرة" ، كما يقول ، لذلك "كان هناك سؤال حول مقدار المعلومات التي تحتويها (صور الموجات فوق الصوتية) حقًا". يمكن أن تكشف الصور عن نشاط عصبي أثناء استعداد الدماغ للحركة. ولكن هل كانت هناك تفاصيل كافية في تلك الإشارة لجهاز كمبيوتر لفك تشفير الحركة المقصودة؟
لمعرفة ذلك ، وضع الباحثون محولات طاقة صغيرة بالموجات فوق الصوتية ، بحجم وشكل الدومينو تقريبًا ، في جماجم اثنين من قرود المكاك ريسوس. يوجه الجهاز - الذي تم توصيله بسلك بجهاز كمبيوتر - الموجات الصوتية إلى منطقة من الدماغ تسمى القشرة الجدارية الخلفية ، والتي تشارك في تخطيط الحركات.
تم تدريب القرود على تركيز أعينهم على نقطة صغيرة في وسط الشاشة بينما تومض نقطة ثانية لفترة وجيزة على اليسار أو اليمين. عندما اختفت النقطة المركزية ، حركت الحيوانات عيونها إلى النقطة التي تومض فيها النقطة الثانية مؤخرًا. في مجموعة أخرى من التجارب ، مدوا يدهم وحركوا عصا التحكم ، بدلاً من أعينهم ، نحو تلك النقطة.
ثم قامت خوارزمية الكمبيوتر بترجمة بيانات الموجات فوق الصوتية إلى تخمينات حول نوايا القرود. يمكن أن تحدد هذه الخوارزمية متى كانت الحيوانات تستعد للتحرك وما إذا كانت تخطط لحركة عين أو ذراع. يمكن للعلماء توقع ما إذا كانت الحركة ستترك يمينًا أم يسارًا بدقة تصل إلى 78٪ لحركات العين و 89٪ دقة للوصول ، حسبما أفادوا اليوم في Neuron.
استخدمت دراستان سابقتان بيانات الموجات فوق الصوتية الوظيفية على دماغ القرد لإعادة بناء ما كانت تراه الحيوانات أو حركات أعينها. لكن القيام بذلك يتطلب متوسط إشارات عبر فترات زمنية طويلة أو حركات متعددة. في الدراسة الجديدة ، جمع الباحثون ما يكفي من البيانات لعمل توقع في كل شوط من التجربة - في كل مرة يخطط فيها القرد لحركة.
هذه ميزة مهمة ، كما تقول مورين هاجان ، عالمة الأعصاب في جامعة موناش التي درست كيفية تنظيم الدماغ للحركة. قد يرغب مستخدم الذراع الآلية في التفكير في حركته المقصودة مرة واحدة فقط لتحريك الذراع ، على سبيل المثال. "أنت لا تريد أن يضطر الأشخاص إلى القيام بالعديد من [محاولات الحركات] لفك شفرة نواياهم."
يقول شينوي إن الخطوة الرئيسية التالية ستكون استخدام تنبؤات الكمبيوتر في الوقت الفعلي لتوجيه يد الروبوت أو المؤشر. ويضيف أن الموجات فوق الصوتية الوظيفية "لديها طرق للذهاب قبل أن تبدأ في الاقتراب من مستوى ما يمكن أن تفعله التقنيات المزروعة" ، من حيث السرعة وتعقيد الحركات التي يمكنها فك تشفيرها.
على سبيل المثال ، يمكن أن تقوم غرسات الإلكترود بالفعل بفك شفرة حركات الذراع المقصودة في اتجاهات عديدة - وليس فقط إلى اليسار واليمين. لكن قد يفضل بعض المرضى طرفًا اصطناعيًا يربطهم بجهاز كمبيوتر دون اختراق دماغهم. يقول شينوي: "الأمر شخصي جدًا". "المرضى يريدون خيارات".
تضيف عالمة الأعصاب إميلي ماسي Emilie Macé من معهد ماكس بلانك لبيولوجيا الأعصاب ، لأن إشارات تدفق الدم أكثر بطئًا من الإشارات الكهربائية ، فإن السرعة هي قيد متأصل في الموجات فوق الصوتية الوظيفية. احتاج الباحثون إلى بيانات من فترة 2 ثانية تقريبًا لفك تشفير تخطيط حركة القردة ، كما يشير ماسي ، الذي ساعد في تطوير تقنية الموجات فوق الصوتية في مختبر الفيزيائي ميكائيل تانتر من INSERM ، وهي وكالة أبحاث الطب الحيوي الفرنسية - وهو مؤلف مشارك في دراسة جديدة. ولكن لا يزال بإمكان الموجات فوق الصوتية توجيه ذراع آلية ، كما تقول ، طالما أن الكمبيوتر يمكنه توجيه الحركات الدقيقة للذراع بسرعة من إشارة المستخدم.
يتوقع Macé العديد من التحسينات المستقبلية لهذه التقنية ، بما في ذلك جعلها تجمع المزيد من المعلومات عن طريق تصوير قطع ثلاثية الأبعاد من الأنسجة بدلاً من المستوى المسطح. "التكنولوجيا على الإطلاق ليست في كامل إمكاناتها بعد."
المصدر