۱- مقدمه
فناوری‌ها و محصولات حوزه رابط مغز و رایانه (Brain-Computer Interface) اختصاراً BCI، مسیری ارتباطی میان مغز انسان و رایانه فراهم می‌کنند. با توسعه فناوری اطلاعات و علوم شناختی، موجی از توجه و علاقه برای تبدیل فعالیت‌های ذهنی به سیگنال‌ها و فرمان‌های ملموس ایجاد شده است. هدف اصلی مطالعات BCI، توسعه سامانه‌ای است که امکان تعامل با افراد دیگر و برهم‌کنش با محیط‌های خارجی را برای افراد معلول فراهم کند و همچنین قابلیت‌های افراد عادی را ارتقاء دهد. فناوری‌های در حال توسعه در این حوزه، در پی ایجاد مسیرهای ارتباطی مستقیم میان مغز و وسایل خارجی هستند و هدف آنها انتقال افکار و مقاصد انسان‌ها به دنیای خارج است. هدف محصولات BCI اغلب کمک، تکمیل یا ارتقاء عملیات شناختی یا حسگری-حرکتی (Sensory-motor) است.

۲- تاریخچه
BCI با کارهای «هانس برگر» آغاز شد. او فعالیت الکتریکی مغز را کشف کرد و الکتروانسفالوگرافی (EEG) را توسعه داد. در سال ۱۹۲۴، برگر برای اولین بار سیگنال‌های دریافتی از مغز انسان را ثبت کرد. با استفاده از تحلیل سیگنال‌هایEEG، برگر موفق شد که فعالیت نوسانی در مغز را مانند موج آلفا (با فرکانس ۱۲۸ هرتز)، که با عنوان موج برگر نیز شناخته می‌شود، شناسایی کند. اولین وسیله ثبتی که برگر از آن استفاده می‌کرد، بسیار ابتدایی بود و در مراحل اولیه توسعه قرار داشت، به نحوی که لازم بود سیم‌هایی از جنس نقره زیر جمجمه بیماران قرار داده شوند. بعدها، فویل‌هایی از جنس نقره که به وسیله بانداژهای لاستیکی روی سر بیماران قرار داده می‌شدند، جایگزین این سیم‌ها شد و ابزارهای اندازه‌گیری پیچیده‌تری که توانایی ثبت پتانسیل‌هایی در مقیاس یک‌هزارم ولت را داشتند، به نحوی موفقیت‌آمیز به کار گرفته شد. برگر رابطه متقابل تناوب‌ها در نمودارهای موجی EEG را با بیماری‌های مغزی تحلیل کرد و به مرور، نمودارهای EEG درهای تازه‌ای را به روی امکانات مطالعاتی جدید در زمینه فعالیت‌های مغز انسان گشودند. در دهه‌های بعدی، نشانگرهای عصبی (neuromarker) دیگری نیز مانند تغییرات جریان خون در مغز مورد توجه قرار گرفتند که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد.

۳- کارکردهای BCI
برقراری ارتباط و کنترل: سامانه‌های رابط مغز و رایانه سعی دارند نیاز افراد را به روش‌های معمول انتقال اطلاعات، مانند گفتار یا فشردن صفحه کلید کاهش دهند یا جایگزین آنها شوند. این سامانه‌ها ارسال پیام از مغز انسان و رمزگشایی ذهن را ممکن می‌سازند؛ بنابراین، به افراد معلول کمک می‌کنند تا حالات ذهنی و تصمیمات خود را از طریق انواع روش‌ها از قبیل ابزارهای هجی‌کردن حروف، طبقه‌بندی معنایی یا ارتباط گفتار خاموش، بیان کنند یا بنویسند. BCI می‌تواند به عنوان ابزاری برای کنترل محیط به کار رود. این کار با تحلیل سیگنال‌های مغزی مربوط به اراده و فرمان‌های حرکتی، به منظور انجام مجموعه‌ای از دستورات بدون دخالت عضلات امکان‌پذیر است. برای مثال، ربات‌های کمکی BCI می‌توانند کاربران ناتوان را در زندگی روزمره و حرفه‌ای پشتیبانی کنند. نظارت بر وضعیت کاربر: برخی از کاربردهای اولیه BCI، افراد ناتوان حرکتی و گفتاری را هدف قرار داده‌اند. این کاربردها با فراهم‌آوری مسیرهای ارتباطی جایگزین، به افراد مزبور کمک می‌کنند. اما با گسترش این حوزه، BCI وارد دنیای افراد سالم نیز می‌شود و به عنوان یک ابزار اندازه‌گیری فیزیولوژیک که اطلاعات احساسی، شناختی یا حالات روحی افراد را بازیابی می‌کند و به کار می‌گیرد، عمل می‌کند.

۴- نحوه کار BCI
یک دستگاه BCI، مجموعه‌ای از قطعات و فنون را برای دریافت نشانگرهای عصبی، پردازش آنها و تولید سیگنال متناسب برای بازخورد به مغز یا ماشین دربرمی‌گیرد. شکل ۱ ساختار شکست چنین محصولاتی را به صورت شماتیک نشان می‌دهد. فعالیت مغز سیگنال‌های الکتریکی تولید می‌کند و همچنین، موجب تغییر در شدت گردش خون می‌شود. این نشانگرها از روی پوست سر، قشر جمجمه یا درون مغز قابل تشخیص هستند. در مرحله بعد، داده‌های جمع‌آوری‌شده پردازش می‌شوند و خصوصیات شناختی فرد استخراج می‌گردد. بر مبنای این داده‌ها، بازخوردهایی به صورت تصویری، صوتی و مانند آنها به فرد داده می‌شود. در برخی دیگر از محصولات، بر مبنای خصوصیات استخراج‌شده، فرمان‌هایی به ماشین‌های مرتبط به مغز مانند صندلی چرخدار یا خودرو داده می‌شود.

۵- انواع BCI
BCI تهاجمی: ابزارهای BCI تهاجمی مستقیماً داخل مغز کاشته می‌شوند و به دلیل مجاورت با نورون‌ها، سیگنال‌هایی را با بالاترین کیفیت کسب می‌کنند. این ابزارها بیشتر برای توانمندسازی افراد ناتوان استفاده می‌شوند. BCIهای تهاجمی، همچنین برای بازیابی قدرت بینایی از طریق اتصال مغز به دوربین‌های خارجی و بازیابی توان به حرکت انداختن اعضاء یا فرمان‌دادن به دست و پای رباتیک استفاده می‌شوند. برای مثال در حوزه دیداری، از کاشتنی‌های مغزی مستقیم برای درمان نابینایی غیرمادرزادی (اکتسابی) استفاده می‌شود. ابزارهای تهاجمی به دلیل قرارگیری در ماده خاکستری مغز، مستعد جمع شدن بافت زخم هستند و این امر سیگنال را ضعیف می‌کند. حتی ممکن است بدن به وجود جسم خارجی در مغز واکنش نشان دهد.
BCI نیمه‌تهاجمی: ابزارهای BCI نیمه‌تهاجمی در استخوان جمجمه قرار داده می‌شوند و در ماده خاکستری قرار نمی‌گیرند. قدرت سیگنال با استفاده از این نوع BCI در مقایسه با BCI تهاجمی کمی ضعیف‌تر است. در مقابل در مقایسه با حالت تهاجمی، خطر تشکیل بافت زخم کمتر است. این روش سیگنال‌هایی با قدرت تفکیک بالاتری نسبت به BCI غیرتهاجمی-که در ادامه توصیف خواهد شد- تولید می‌کند. روش الکتروکورتیکوگرافی (ECoG) مشهورترین روش در این دسته است.
BCI غیرتهاجمی: در این حالت، ابزارها نشانگرهای عصبی را از بیرون جمجمه دریافت می‌کنند. BCI غیرتهاجمی نسبت به روش‌های دیگر دارای کمترین وضوح است؛ چراکه جمجمه سیگنال را دچار اعوجاج می‌کند؛ اما در مقایسه با انواع دیگر کمترین خطر را نیز به همراه دارد. این نوع ابزارها در فراهم‌آوری امکان حرکت ماهیچه‌ها و بازیابی حرکت جزئی، موفق بوده‌اند. EEG از محبوب‌ترین ابزارهای غیرتهاجمی است که می‌تواند برای کاربردهای مختلف، قدرت تفکیکی خوبی را فراهم آورد. مزیت EEG ارزان و قابل‌حمل‌بودن آن و سهولت استفاده است. روش‌های غیرتهاجمی مختلف دیگری نیز برای ارزیابی نشانگرهای مغزی استفاده می‌شوند، مانند تصویربرداری عملکردی تشدید مغناطیسی(fMRI)، طیف‌سنجی نزدیک مادون قرمز عملکردی (fNIRS) و مگنتوانسفالوگرام (MEG). شکل ۲ برخی از انواع BCI را از حیث تهاجمی‌بودن و دامنه عملکرد مقایسه می‌کند.