خواندن ذهن با فراصوت

روشی کمتر تهاجمی[1] برای شناسایی خواسته‌های مغز

هنگام مرور این صفحه چه چیزی در ذهن شما می‌گذرد؟ به عبارت دیگر چه بخش‌هایی از مغز شما درگیر است، کدام نورون‌ها با یکدیگر در ارتباط هستند و چه پیام‌هایی به ماهیچه‌های شما ارسال می‌کنند؟

تطابق فعالیت عصبی به رفتارهای مربوط، یک هدف اصلی برای عصب شناسانی که در حال توسعه رابط‌های مغز و ماشین (BMI) می‌باشند، است: دستگاه‌هایی که فعالیت مغز را می‌خوانند و معنی می‌کنند و دستورالعمل‌ها را به رایانه یا دستگاه منتقل می‌کنند. اگرچه شاید شبیه یک داستان علمی تخیلی به نظر برسد اما BMIهای موجود می‌توانند یک فرد فلج شده را به یک بازوی رباتیک متصل کنند؛ این دستگاه فعالیت‌های مغزی و اهداف فرد را درک می‌کند و متقابلا بازوی رباتیک را کنترل می‌کند.

یک محدودیت عمده برای ایجاد BMI این است که این دستگاه ها برای خواندن فعالیت های عصبی به جراحی تهاجمی مغز نیاز دارند. با این حال، تیمی در کالتک [Caltech] اکنون نوع جدیدی از BMI با حداقل ورود ابزار به بدن را برای بازخوانی فعالیت مغز مطابق با تصمیم گیری برای حرکت ابداع کرده‌اند. استفاده از فناوری فراصوت کنشی[2] (fUS) می‌تواند دقیقا فعالیت مغز را از مناطق معین در اعماق مغز با دقت 100 میکرومتر تطابق دهد (اندازه یک نورون تقریبا 10 میکرومتر است).

فناوری جدید fUS گام بزرگی برای ساخت BMIهایی است که کمتر تهاجمی‌ هستند و در عین حال بسیار مؤثرند.

به گفته سامنر نورمن، پژوهشگر فوق دکترا در آزمایشگاه اندرسن و اولین نویسنده مشترک در مطالعه جدید، «گونه‌های تهاجمی رابط‌های مغز و ماشین می‌توانند حرکت را به افرادی که به دلیل آسیب یا بیماری عصبی آن را از دست داده‌اند، بازگردانند. متأسفانه، تنها تعداد کمی از افراد دارای شدیدترین از کار افتادگی واجد شرایط هستند و با کار گذاشتن الکترود در مغز خود موافقت می‌کنند. فراصوت کنشی تکنیک کاملا جدید و هیجان انگیزی است که امکان ثبت ایمن فعالیت دقیق مغز را فراهم می‌کند. ما از مرزهای تصویربرداری عصبی فراصوت فراتر رفتیم و از اینکه توانست حرکت را پیش بینی کند بسیار خوشحال شدیم. هیجان انگیزترین جنبه fUS این است که یک فناوری جدید با قابلیت بسیار بزرگ است – این تنها گام اول ما در ارائه BMI با عملکرد بالا و تهاجم کمتر (جراحی با برش کمتر بدن) به افراد بیشتر است.»

این تحقیق جدید مشارکتی بین آزمایشگاه‌های ریچارد اندرسن، جیمز جی بوسول استاد علم اعصاب، استاد مهندسی شیمی و مسئول رهبری و رئیس مرکز رابط مغز و دستگاه تیانچیائو و کریسی چن در موسسه کریسی چن برای علم اعصاب در کالتک؛ و میکائیل شاپیرو، استاد مهندسی شیمی و محقق موسسه تحقیقات پزشکی هریتیج است. شاپیرو یکی از اعضای هیئت علمی موسسه چن[Chen Institute] است.

در 22 مارس 2021، نشریه‌ای که این تحقیق را توصیف می‌کند در مجله نورون آمده است.

به طور کلی، تمام ابزارهای مورد استفاده برای اندازه گیری فعالیت مغز دارای نواقصی هستند. الکتروفیزیولوژی[3]، که از الکترودهای کاشته شده استفاده می‌کند، می‌تواند به طور بسیار دقیق فعالیت را در سطح تک نورون‌ها اندازه گیری کنند، البته بدیهی است که الکترودها باید داخل مغز قرار گیرند. تصویربرداری رزونانس مغناطیسی کنشی (fMRI)، یک روش غیر تهاجمی (جراحی بدون ورود ابزار به بدن) که می‌تواند از کل مغز تصویربرداری کند، اما به ماشین‌آلات بزرگ و پر هزینه نیاز دارد. الکترومغزنگاری (EEG) نیازی به جراحی ندارد اما فقط می‌تواند فعالیت را در وضوح فضایی پایین اندازه گیری کند.

فراصوت با منتشر کردن پالس‌های صوتی با فرکانس بالا و اندازه‌گیری چگونگی انعکاس ارتعاشات صوتی در سراسر یک ماده، مانند بافت‌های مختلف بدن انسان، کار می‌کند. از طریق هر یک از این نوع بافت‌ها، صدا با سرعت‌های مختلف حرکت می‌کند و در مرزهای بین آنها منعکس می‌شود. این روش اغلب برای تصویربرداری، معاینه و تشخیص، مثل گرفتن عکس از جنین در رحم استفاده می‌شود.

فراصوت می‌تواند حرکت داخلی اندام‌ها را نیز «بشنود». به عنوان مثال، گام صدای گلبول‌های قرمز با حرکت به سمت منبع امواج فراصوت افزایش می‌یابد و در حین دور شدن پایین می‌آید، درست مانند آمبولانسی که در حال حرکت است. محققان با اندازه گیری این پدیده توانستند تغییرات جزئی در جریان خون مغز تا 100 میکرومتر را ثبت کنند (در مقیاس عرض یک موی انسان).

«وقتی بخشی از مغز فعال‌تر می‌شود، جریان خون در آن ناحیه افزایش می‌یابد. سوال مهم در این کار این بود که اگر تکنیکی مانند فراصوت کنشی داشته باشیم که تصاویری با وضوح بالا از پویایی (دینامیک) جریان خون مغز در فضا و در طول زمان به ما بدهد، اطلاعات کافی از آن تصویربرداری برای شناسایی چیز مفیدی در مورد رفتار وجود دارد؟ شاپیرو می‌گوید. «جواب مثبت است. این روش تصاویر دقیقی از پویایی پیام‌های عصبی در منطقه هدف ما تولید می‌کند که با روش‌های غیرتهاجمی دیگر مانند fMRI قابل مشاهده نمی‌شد. با فرآیندی به مراتب کمتر تهاجمی، توانستیم به جزئیاتی دست یابیم که قابل مقایسه با الکتروفیزیولوژی بود.»

این همکاری وقتی شروع شد که شاپیرو از میکائیل تانتر که فردی پیشگام در فراصوت کنشی و مدیر علم فیزیک برای مدیسن پاریس (دانشگاه علوم ادبیات کلاسیک پاریس ESPCI، اینسرم، CNRS)  است دعوت کرد تا در سال 2015 سمیناری در کالتک ارائه کند. محقق سابق فوق دکترا از گروه اندرسن که اکنون استادیار دانشگاه یوسی ریورساید است در این جلسه شرکت کرد و پیشنهاد همکاری داد. سپس شاپیرو، اندرسن و تانتر برای ادامه این تحقیق، اعتبار پژوهشی بنیاد NIH BRAIN را دریافت کردند. نورمن، همکار سابق فوق دکترای آزمایشگاه شاپیرو، دیوید مارسکا (دانشیار فعلی در دانشگاه فناوری دلفت)، و کریستوپولوس مدیریت امور در کالتک را به عهده داشتند. مارسکا و کریستوپولوس، علاوه بر نورمن اولین نویسندگان مشترک این مطالعه جدیدند.

از پستانداران غیر انسانی در توسعه این فناوری استفاده شد و به آنها آموزش داده شد که در پاسخ به علامت‌های مشخص، کارهای ساده مثل حرکت دادن چشم‌ها یا اندام‌هایشان در جهت‌های مشخص انجام دهند. زمانی که پستانداران کارها را انجام دادند، fUS فعالیت مغز را در قشر جداری پشتی (PPC) مخ، یعنی منطقه‌ای از مغز که در تصمیم گیری برای حرکت نقش دارد اندازه گیری کرد. آزمایشگاه اندرسن سال‌هاست که روی PPC تحقیق کرده‌اند و قبلا با استفاده از الکتروفیزیولوژی نگاشت‌هایی از فعالیت مغز در این ناحیه درست کرده است. محققان، فعالیت تصویربرداری مغز از fUS را با داده‌های الکتروفیزیولوژیکی جامع قبلی به منظور تأیید صحت fUS مطابقت دادند.

سپس این تیم با کمک مرکز رابط مغز و ماشین T&C Chen در کالتک به دنبال این بودند که تعیین کنند آیا تغییرات وابسته به فعالیت در تصاویر fUS می‌تواند برای شناسایی خواسته‌های پستانداران غیرانسانی حتی قبل از حرکت استفاده شود یا خیر. سپس از یک الگوریتم یادگیری ماشینی برای پردازش داده‌های تصویربرداری فراصوت و کارهای مربوط استفاده شد که یاد گرفت کدام الگوهای فعالیت مغز با کدام کارها مطابقت دارد. هنگامی که به الگوریتم آموزش داده شد، داده‌های فراصوت جمع آوری شده لحظه‌ای از پستانداران غیر انسانی در اختیار آن قرار داده شد.

الگوریتم در عرض چند ثانیه پیش‌بینی می‌کرد که پستاندار غیرانسانی قرار است چه رفتاری کند (حرکت چشم یا دراز کردن دست)، جهت حرکت (چپ یا راست)، و کی قصد انجام حرکت را داشت.

به گفته مارسکا، متخصص تصویربرداری فراصوت، «نقطه عطف اولیه نشان دادن این بود که فراصوت می‌تواند پیام‌های مغزی مرتبط با قصد تصمیم گیری برای انجام یک حرکت فیزیکی را دریافت کند.» «در مقایسه با MRI کنشی، تصویربرداری فراصوت کنشی قادر است این سیگنال‌ها را با 10 برابر حساسیت بیشتر و وضوح بهتر ثبت کند. این یافته عامل اصلی موفقیت تعامل مغز و ماشین بر مبنای فراصوت کنشی است.

به گفته‌ اندرسن «رابط‌های فعلی مغز و ماشین با وضوح بالا از مجموعه‌های الکترود استفاده می‌کنند که به جراحی مغز نیاز دارند، که شامل باز کردن نرم شامه(داخلی‌ترین لایه پوشاننده سیستم عصبی مرکزی)، غشای فیبری قوی بین جمجمه و مغز، و کاشت مستقیم الکترودها در مغز است. با این حال سیگنال‌های فراصوت می‌توانند به صورت غیرتهاجمی (بدون ورود ابزار به بدن) از نرم شامه و مغز عبور کنند. فقط یک دریچه کوچک و شفاف با فراصوت باید در جمجمه کاشته شود؛ این جراحی بسیار کم تهاجمی‌تر از جراحی مورد نیاز برای کاشت الکترود است.

علیرغم اینکه این تحقیق بر روی پستانداران غیرانسان انجام شده است، همکاری با جراح مغز و اعصاب USC، دکتر چارلز لیو، در حال برنامه ریزی برای آزمایش این فناوری بر روی داوطلبانی است که بخشی از جمجمه خود را به دلیل صدمات وارده مغزی برداشته‌اند. از آنجایی که امواج فراصوت می‌توانند بدون تغییر از این «دریچه‌های صوتی» عبور کنند، می‌توانیم بررسی کنیم که چگونه فراصوت کنشی می‌تواند فعالیت مغز را در این افراد اندازه گیری و شناسایی کند.

مرجع: «شناسایی تک آزمایشی اهداف حرکتی با استفاده از تصویربرداری عصبی فراصوت کنشی» توسط سامنر ال. نورمن، دیوید مارسکا، واسیلیوس ان. کریستوپولوس، ویتنی اس. گریگز، چارلی دمنه، میکائل تانتر، میکائیل جی شاپیرو و ریچارد ای. اندرسن، 22 مارس 2021، نورون.

«شناسایی تک آزمایشی اهداف حرکتی با استفاده از تصویربرداری عصبی فراصوت کنشی» عنوان این مقاله است. سایر نویسندگان مشترک نیز دانشجوی فارغ التحصیل کالتک ویتنی گریگز و چارلی دمنه از دانشگاه علوم و ادبیات کلاسیک پاریس و شتاب دهنده تحقیقات فناوری INSERM در اولتراسوند زیست پزشکی در پاریس، فرانسه هستند. بودجه توسط یک کمک هزینه تحصیلی پس دکترا مرکز دلا مارتین، یک کمک هزینه تحصیلی پس دکترا بین رشته‌ای برنامه علمی مرزهای انسانی، برنامه آموزش علوم پزشکی UCLA-Caltech، موسسات ملی بنیاد سلامت مغز، مرکز رابط مغز و ماشین تیانچائو و کریسی چن، بنیاد بوسول، و موسسه تحقیقات پزشکی هریتج فراهم شد.

[1] جراحی بدون ورود ابزار به بدن 

[2] functional: آنچه که کارکرد اندام را تحت تاثیر قرار می دهد ولی در ساختمان آن تغییری به وجود نمی‌آورد

[3] علم بررسی پدیده های الکتریکی در فیزیولوژی موجودات زنده