การเชื่อมต่อระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร

เมื่อพลังของคอมพิวเตอร์ สมัยใหม่ เติบโตขึ้นควบคู่ไปกับความเข้าใจในสมอง ของมนุษย์ เราก็เข้าใกล้มากขึ้นเรื่อยๆ ในการทำให้ นิยายวิทยาศาสตร์ที่น่าตื่นตาตื่นใจบางส่วนกลายเป็นความจริง ลองนึกภาพการส่งสัญญาณโดยตรงไปยังสมองของใครบางคน ซึ่งจะทำให้พวกเขาเห็นได้ยินหรือสัมผัสถึงข้อมูลทางประสาทสัมผัสที่เฉพาะเจาะจง พิจารณาถึงศักยภาพในการจัดการคอมพิวเตอร์หรือเครื่องจักรโดยไม่ต้องคิดอะไรมาก ไม่ใช่เรื่องของความสะดวก สำหรับคนพิการขั้นรุนแรง การพัฒนาส่วนติดต่อระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ (BCI) อาจเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดในรอบหลายทศวรรษ ในบทความนี้ เราจะเรียนรู้ทั้งหมดเกี่ยวกับวิธีการทำงานของ BCI ข้อจำกัด และทิศทางในอนาคต

สมองไฟฟ้า

เหตุผลที่ BCI ทำงานได้ทั้งหมดเป็นเพราะวิธีการทำงานของสมองของเรา สมองของเราเต็มไปด้วยเซลล์ประสาท เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์เชื่อมต่อกันด้วยเดนไดรต์และแอกซอน ทุกครั้งที่เราคิด เคลื่อนไหว รู้สึก หรือจำบางสิ่ง เซลล์ประสาทของเราจะทำงาน งานนั้นดำเนินการโดยสัญญาณไฟฟ้าขนาดเล็กที่ซิปจากเซลล์ประสาทไปยังเซลล์ประสาทได้เร็วถึง 250 ไมล์ต่อชั่วโมง [แหล่งที่มา: วอล์คเกอร์ ] สัญญาณถูกสร้างขึ้นโดยความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าที่นำพาโดยไอออนบนเยื่อหุ้มเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์

แม้ว่าเส้นทางที่สัญญาณใช้จะถูกหุ้มฉนวนโดยสิ่งที่เรียกว่าไมอีลิน แต่สัญญาณไฟฟ้าบางส่วนก็หลบหนี นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับสัญญาณเหล่านั้น ตีความความหมายของสัญญาณ และใช้สัญญาณเหล่านั้นเพื่อควบคุมอุปกรณ์บางชนิด นอกจากนี้ยังสามารถทำงานในลักษณะอื่นได้ ตัวอย่างเช่น นักวิจัยสามารถหาสัญญาณที่ส่งไปยังสมองโดยเส้นประสาทตาเมื่อมีคนเห็นสีแดง พวกเขาสามารถเจาะกล้องที่จะส่งสัญญาณที่แน่นอนเหล่านั้นไปยังสมองของใครบางคนเมื่อใดก็ตามที่กล้องเห็นสีแดง ทำให้คนตาบอด "มองเห็น" ได้โดยไม่ต้องใช้ตา

ในส่วนถัดไป เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับพื้นฐานของอินเทอร์เฟซ

1. อินพุตและเอาต์พุต BCI
2. แอปพลิเคชัน BCI
3. อินพุตทางประสาทสัมผัส
4. ข้อเสียของ BCI และนักประดิษฐ์

หนึ่งในความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดที่นักวิจัยส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันต้องเผชิญคือกลไกพื้นฐานของอินเทอร์เฟซ วิธีที่ง่ายที่สุดและมีการบุกรุกน้อยที่สุดคือชุดของอิเล็กโทรด ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องตรวจคลื่นไฟฟ้าสมอง (EEG) ซึ่งติดอยู่ที่หนังศีรษะ อิเล็กโทรดสามารถอ่านสัญญาณสมองได้ อย่างไรก็ตาม กะโหลกศีรษะปิดกั้นสัญญาณไฟฟ้าจำนวนมาก และมันบิดเบือนสิ่งที่ผ่านเข้ามา

เพื่อรับสัญญาณที่มีความละเอียดสูงขึ้น นักวิทยาศาสตร์สามารถฝังอิเล็กโทรดโดยตรงไปยังสสารสีเทาของสมองเอง หรือบนพื้นผิวของสมอง ใต้กะโหลกศีรษะ วิธีนี้ช่วยให้รับสัญญาณไฟฟ้าได้โดยตรงมากขึ้นและช่วยให้วางอิเล็กโทรดในพื้นที่เฉพาะของสมองที่มีการสร้างสัญญาณที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีปัญหามากมาย จำเป็นต้องมีการผ่าตัดแบบรุกรานเพื่อฝังอิเล็กโทรดและอุปกรณ์ที่เหลืออยู่ในสมองในระยะยาวมักจะทำให้เกิดเนื้อเยื่อแผลเป็นในเรื่องสีเทา เนื้อเยื่อแผลเป็นนี้จะปิดกั้นสัญญาณในที่สุด

กลไกพื้นฐานจะเหมือนกันโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งของอิเล็กโทรด: อิเล็กโทรดวัดความแตกต่างในนาทีของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเซลล์ประสาท สัญญาณจะถูกขยายและกรอง ในระบบ BCI ในปัจจุบัน โปรแกรม คอมพิวเตอร์ จะตีความข้อมูล นั้น แม้ว่าคุณอาจคุ้นเคยกับเครื่องเอนเซฟาโลกราฟแบบอนาล็อกรุ่นเก่า ซึ่งแสดงสัญญาณผ่านปากกาที่เขียนรูปแบบบนกระดาษต่อเนื่องโดยอัตโนมัติ

ในกรณีของการรับ BCI ทางประสาทสัมผัส ฟังก์ชันจะเกิดขึ้นย้อนกลับ คอมพิวเตอร์จะแปลงสัญญาณ เช่น สัญญาณจากกล้องวิดีโอเป็นแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการกระตุ้นเซลล์ประสาท สัญญาณจะถูกส่งไปยังรากฟันเทียมในบริเวณที่เหมาะสมของสมอง และหากทุกอย่างถูกต้อง เซลล์ประสาทจะยิงและผู้รับการทดลองจะได้รับภาพที่สอดคล้องกับสิ่งที่กล้องมองเห็น

อีกวิธีหนึ่งในการวัดการทำงานของสมองคือการใช้ภาพสะท้อนด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) เครื่อง MRI เป็นอุปกรณ์ขนาดใหญ่และซับซ้อน มันสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงมากของการทำงานของสมอง แต่ไม่สามารถใช้เป็นส่วนหนึ่งของ BCI แบบถาวรหรือกึ่งถาวรได้ นักวิจัยใช้ข้อมูลนี้เพื่อหาเกณฑ์มาตรฐานสำหรับการทำงานของสมองบางอย่างหรือเพื่อทำแผนที่ว่าควรวางอิเล็กโทรดของสมองไว้ที่ใดเพื่อวัดฟังก์ชันเฉพาะ ตัวอย่างเช่น หากนักวิจัยพยายามที่จะฝังอิเล็กโทรดที่อนุญาตให้ใครบางคนควบคุมแขนหุ่นยนต์ด้วยความคิดของพวกเขา ขั้นแรกพวกเขาอาจใส่หัวข้อนั้นลงใน MRI และขอให้เขาหรือเธอคิดเกี่ยวกับการขยับแขนจริงของพวกเขา MRI จะแสดงให้เห็นว่าส่วนใดของสมองทำงานระหว่างการเคลื่อนไหวของแขน ทำให้เป้าหมายสำหรับการวางอิเล็กโทรดชัดเจนขึ้น

แล้ว BCI ในชีวิตจริงมีประโยชน์อย่างไร? อ่านต่อไปเพื่อค้นหาความเป็นไปได้

ความเป็นพลาสติกของเยื่อหุ้มสมอง

เป็นเวลาหลายปี ที่สมองของมนุษย์ที่โตเต็มวัยถูกมองว่าเป็นอวัยวะที่อยู่นิ่ง เมื่อคุณเป็นเด็กที่กำลังเติบโตและกำลังเรียนรู้ สมองของคุณจะมีรูปร่างและปรับให้เข้ากับประสบการณ์ใหม่ แต่ในที่สุดมันก็จะเข้าสู่สภาวะที่ไม่เปลี่ยนแปลง หรือตามทฤษฎีที่มีอยู่ทั่วไปก็เป็นไปตามนั้น

การวิจัยในช่วงต้นทศวรรษ 1990 พบว่าสมองยังคงมีความยืดหยุ่นแม้ในวัยชรา แนวคิดนี้เรียกว่า คอร์ เทกซ์ ปั้นพลาสติกหมายความว่าสมองสามารถปรับตัวให้เข้ากับสถานการณ์ใหม่ได้อย่างน่าทึ่ง การเรียนรู้สิ่งใหม่หรือเข้าร่วมกิจกรรมใหม่ๆ ก่อให้เกิดความเชื่อมโยงระหว่างเซลล์ประสาท และลดปัญหาทางระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับอายุ หากผู้ใหญ่ได้รับบาดเจ็บที่สมอง ส่วนอื่นๆ ของสมองก็สามารถควบคุมการทำงานของส่วนที่เสียหายได้

ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญสำหรับ BCI หมายความว่าผู้ใหญ่สามารถเรียนรู้การทำงานด้วย BCI สมองของพวกเขาจะสร้างการเชื่อมต่อใหม่และปรับตัวให้เข้ากับการใช้เซลล์ประสาทแบบใหม่นี้ ในสถานการณ์ที่ใช้รากฟันเทียม หมายความว่าสมองสามารถรองรับการบุกรุกที่ดูเหมือนแปลกปลอมนี้ และพัฒนาการเชื่อมต่อใหม่ที่จะรักษารากฟันเทียมเป็นส่วนหนึ่งของสมองตามธรรมชาติ

งานวิจัยที่น่าสนใจที่สุดชิ้นหนึ่งของ BCI คือการพัฒนาอุปกรณ์ที่ควบคุมได้ด้วยความคิด แอปพลิเคชันบางอย่างของเทคโนโลยีนี้อาจดูเหมือนไร้สาระ เช่น ความสามารถในการควบคุมวิดีโอเกมด้วยความคิด ถ้าคุณคิดว่ารีโมทคอนโทรลสะดวก ลองนึกภาพการเปลี่ยนช่องสัญญาณด้วยใจของคุณ

อย่างไรก็ตาม ยังมีภาพที่ใหญ่กว่า นั่นคืออุปกรณ์ที่ช่วยให้ผู้พิการขั้นรุนแรงสามารถทำงานได้อย่างอิสระ สำหรับโรคอัมพาตขา บางสิ่งที่พื้นฐานพอๆ กับการควบคุม เคอร์เซอร์ของ คอมพิวเตอร์ผ่านคำสั่งทางจิต จะเป็นการปฏิวัติคุณภาพชีวิตที่ดีขึ้น แต่เราจะเปลี่ยนการวัดแรงดันไฟฟ้าเล็กๆ เหล่านั้นให้กลายเป็นการเคลื่อนไหวของแขนหุ่นยนต์ได้อย่างไร

การวิจัยเบื้องต้นใช้ลิงที่มีการฝังอิเล็กโทรด ลิงใช้จอยสติ๊กเพื่อควบคุมแขนหุ่นยนต์ นักวิทยาศาสตร์วัดสัญญาณที่มาจากอิเล็กโทรด ในที่สุด พวกเขาเปลี่ยนการควบคุมเพื่อให้แขนหุ่นยนต์ถูกควบคุมโดยสัญญาณที่มาจากอิเล็กโทรดเท่านั้น ไม่ใช่จอยสติ๊ก

งานที่ยากกว่านั้นคือการตีความ สัญญาณ สมองสำหรับการเคลื่อนไหวในคนที่ขยับแขนของตัวเองไม่ได้ กับงานแบบนั้น ผู้รับการทดลองต้อง "ฝึก" เพื่อใช้อุปกรณ์ ด้วย EEG หรือรากฟันเทียม ผู้รับการทดลองจะนึกภาพการปิดมือขวาของเขาหรือเธอ หลังจากการทดลองหลายครั้งซอฟต์แวร์สามารถเรียนรู้สัญญาณที่เกี่ยวข้องกับความคิดที่จะปิดด้วยมือ ซอฟต์แวร์ที่เชื่อมต่อกับมือหุ่นยนต์ได้รับการตั้งโปรแกรมให้รับสัญญาณ "มือปิด" และตีความว่าควรปิดมือของหุ่นยนต์ ณ จุดนั้น เมื่อผู้ทดลองคิดจะปิดมือ สัญญาณจะถูกส่งและมือหุ่นยนต์จะปิดลง

วิธีการที่คล้ายกันนี้ใช้เพื่อควบคุมเคอร์เซอร์ของคอมพิวเตอร์ โดยที่ผู้ทดสอบกำลังคิดเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ซ้าย ขวา และข้างหลังของเคอร์เซอร์ ด้วยการฝึกฝนที่เพียงพอ ผู้ใช้สามารถควบคุมเคอร์เซอร์ได้มากพอที่จะวาดวงกลม เข้าถึงโปรแกรมคอมพิวเตอร์ และควบคุมทีวี [ที่มา: Ars Technica ] ในทางทฤษฎีสามารถขยายเพื่อให้ผู้ใช้สามารถ "พิมพ์" ด้วยความคิดของพวกเขา

เมื่อกลไกพื้นฐานของการแปลงความคิดเป็นการกระทำด้วยคอมพิวเตอร์หรือหุ่นยนต์สมบูรณ์แบบแล้ว ศักยภาพการใช้งานเทคโนโลยีนั้นแทบจะไร้ขีดจำกัด แทนที่จะใช้มือหุ่นยนต์ ผู้ใช้ที่ทุพพลภาพสามารถใช้เหล็กดัดฟันที่แขนขาของตนเองได้ ทำให้พวกเขาเคลื่อนไหวและโต้ตอบกับสิ่งแวดล้อมได้โดยตรง สิ่งนี้สามารถทำได้แม้ไม่มีส่วน "หุ่นยนต์" ของอุปกรณ์ สามารถส่งสัญญาณไปยังเส้นประสาท ควบคุมมอเตอร์ที่เหมาะสม ในมือ ข้ามส่วนที่เสียหายของไขสันหลัง และปล่อยให้มือของตัวอย่างเคลื่อนไหวได้จริง

ในหน้าถัดไป เราจะมาเรียนรู้เกี่ยวกับการปลูกถ่ายประสาทหูเทียมและการพัฒนาตาเทียม

วิธีที่พบมากที่สุดและเก่าแก่ที่สุดในการใช้ BCI คือการ ฝัง ประสาทหูเทียม สำหรับคนทั่วไป คลื่นเสียงจะเข้าสู่หูและผ่านอวัยวะเล็กๆ หลายส่วน ซึ่งสุดท้ายจะส่งผ่านการสั่นสะเทือนไปยังเส้นประสาท การได้ยิน ในรูปของสัญญาณไฟฟ้า หากกลไกของหูได้รับความเสียหายอย่างรุนแรงบุคคลนั้นจะไม่ได้ยินอะไรเลย อย่างไรก็ตาม เส้นประสาทการได้ยินอาจทำงานได้อย่างสมบูรณ์ พวกเขาไม่ได้รับสัญญาณใด ๆ

ประสาทหูเทียมจะข้ามส่วนที่ไม่ทำงานของหู ประมวลผลคลื่นเสียงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า และส่งผ่านอิเล็กโทรดไปยังเส้นประสาทการได้ยิน ผลลัพธ์: คนหูหนวกก่อนหน้านี้สามารถได้ยินได้แล้ว เขาอาจได้ยินไม่ชัดแต่ทำให้เขาเข้าใจบทสนทนา

การประมวลผลข้อมูลภาพโดยสมองนั้นซับซ้อนกว่าข้อมูลเสียงมาก ดังนั้นการพัฒนาตาเทียมจึงไม่ก้าวหน้าเท่าที่ควร ถึงกระนั้นหลักการก็เหมือนกัน อิเล็กโทรดถูกฝังอยู่ในหรือใกล้กับคอร์เทกซ์การมองเห็น ซึ่งเป็นพื้นที่ของสมองที่ประมวลผลข้อมูลการมองเห็นจากเรตินา แว่นตาคู่หนึ่งที่ถือกล้อง ขนาดเล็ก เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์และในที่สุดก็เชื่อมต่อกับรากฟันเทียม หลังจากช่วงการฝึกที่คล้ายกับที่ใช้ในการเคลื่อนไหวที่ควบคุมโดยความคิดจากระยะไกล วัตถุจะมองเห็นได้ อีกครั้งวิสัยทัศน์ไม่สมบูรณ์แบบ แต่การปรับแต่งทางเทคโนโลยีได้ปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมากนับตั้งแต่มีความพยายามครั้งแรกในปี 1970 Jens Naumann เป็นผู้รับการปลูกถ่ายรุ่นที่สอง เขาตาบอดสนิท แต่ตอนนี้เขาสามารถนำทางรถไฟใต้ดินในนครนิวยอร์กได้ด้วยตัวเองและแม้กระทั่งขับรถไปรอบ ๆ ลานจอดรถ [แหล่งที่มา: CBC News ] ในแง่ของนิยายวิทยาศาสตร์กลายเป็นความจริง กระบวนการนี้ใกล้เข้ามามาก ขั้วต่อที่เชื่อมต่อแว่นตาของกล้องกับอิเล็กโทรดในสมองของนอมันน์นั้นคล้ายกับที่ใช้เชื่อมต่อ VISOR (Visual Instrument และอวัยวะรับความรู้สึก) ที่สวมใส่โดยเจ้าหน้าที่วิศวกรรมตาบอด Geordi La Forge ในทีวี "Star Trek: The Next Generation"การแสดงและภาพยนตร์ โดยพื้นฐานแล้วทั้งสองเป็นเทคโนโลยีเดียวกัน อย่างไรก็ตาม นอมันน์ไม่สามารถ "มองเห็น" ส่วนต่างๆ ที่มองไม่เห็นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าได้

ในหน้าถัดไป เรียนรู้เกี่ยวกับข้อจำกัดโดยธรรมชาติของส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ และเรียนรู้เกี่ยวกับนวัตกรรมที่น่าตื่นเต้นบางอย่างด้วย

การควบคุมความคิด?

หากเราสามารถส่งสัญญาณทางประสาทสัมผัสไปยังสมองของใครบางคนได้ นั่นหมายความว่าการควบคุมความคิดเป็นสิ่งที่เราต้องกังวลหรือไม่? อาจจะไม่. การส่งสัญญาณทางประสาทสัมผัสที่ค่อนข้างง่ายนั้นยากพอสมควร สัญญาณที่จำเป็นในการทำให้ใครบางคนกระทำการบางอย่างโดยไม่ได้ตั้งใจนั้นอยู่ไกลเกินกว่าเทคโนโลยีในปัจจุบัน นอกจากนี้ อดีตผู้ควบคุมความคิดจะต้องลักพาตัวคุณและฝังอิเล็กโทรดในขั้นตอนการผ่าตัดที่กว้างขวาง ซึ่งเป็นสิ่งที่คุณน่าจะสังเกตเห็นได้

แม้ว่าเราจะเข้าใจหลักการพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลัง BCI แล้ว แต่ก็ไม่ได้ผลอย่างสมบูรณ์ มีหลายเหตุผลนี้.

ผู้สร้างนวัตกรรม BCI

มีบริษัทไม่กี่แห่งที่เป็นผู้บุกเบิกด้าน BCI ส่วนใหญ่ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัย แม้ว่าจะมีการนำเสนอผลิตภัณฑ์บางอย่างในเชิงพาณิชย์

หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ โปรดดูลิงก์ในหน้าถัดไป

บทความที่เกี่ยวข้อง

ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม