واسط‌های مغز-ماشین از مفاهیم پایه تا نگاهی به برنامه‌ی ملی ایران(مصاحبه با دکتر محمدحسین مقامی)
مصاحبه با آقای دکتر محمدحسین مقامی
واسط‌های مغز-ماشین از مفاهیم پایه تا نگاهی به برنامه‌ی ملی ایران
مصاحبه با آقای دکتر محمدحسین مقامی، عضو هیئت علمی دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی و مشاور برنامه ملی واسط‌های مغز و رایانه (BCI)
فناوری‌هایی که ارتباط مستقیم مغز انسان با سیستم‌های دیجیتال را ممکن می‌سازند؛ نحوه‌ی تعامل ما با جهان دیجیتال را به کلی متحول خواهند کرد. شکی نیست که این فناوری‌ها، آموزش، درمان، آزادی، امنیت و سایر جنبه‌های کلیدی حیات انسان را تحت تاثیر قرار خواهد داد. به همین دلیل است که به عنوان پژوهشگران حوزه شناختی در عصر حاضر، از شما دعوت می‌کنیم در این مصاحبه با ما همراه باشید. با هم واسط‌های مغز-ماشین را دقیق‌تر بررسی می‌کنیم و به برنامه‌های ایران در این عرصه می‌پردازیم. برنامه‌ی ملی توسعه واسط‌های مغز-ماشین، زیرمجموعه فعالیت‌های کارگروه توسعه فناوری‌ها و ابزارهای نوین برای ارتباط دوسویه با مغز است و ما در این مصاحبه میزبان دکتر محمدحسین مقامی، یکی از مشاوران این کارگروه هستیم.
تعریف واسط‌های مغز-ماشین چیست؟
واسط‌های مغز-ماشین، Brain-Machine Interface (BMI) و یا واسط‌های مغز-رایانه Brain-Computer Interface (BCI) مجموعه‌ای از سخت‌افزارها و نرم‌افزارهایی هستند که امکان برقراری ارتباط مستقیم بین مغز و محیط اطراف را فراهم می‌کنند. این سیستم‌های هوشمند با تشخیص الگوهای فعالیت مغزی، می‌توانند ماشین‌ها یا رایانه‌ها را کنترل کنند. نمونه‌های رایج این فناوری شامل کنترل صندلی چرخ‌دار از طریق سیگنال‌های مغزی، تایپ کردن بدون نیاز به دست، و در نسخه‌های پیشرفته‌تر، رمزگشایی افکار و گفتار است.
توسعه واسط‌های مغز و رایانه از چه زمانی آغاز شد؟
اگر نخستین تلاش‌های دانشمندان برای ثبت سیگنال‌های مغزی را در نظر بگیریم، می‌توان گفت که این حوزه حدود یک قرن قدمت دارد. در سال ۱۹۲۴، برای اولین بار سیگنال‌های EEG (الکتروانسفالوگرام) ثبت شد و این کشف، مسیر تحقیقات در زمینه ارتباط مستقیم بین مغز و ماشین را هموار کرد. پس از این پیشرفت، سازمان‌هایی مانند وزارت دفاع آمریکا و دانشگاه‌های معتبر از جمله UCLA تحقیقات گسترده‌ای را در این زمینه آغاز کردند. این تلاش‌ها در نهایت منجر به توسعه اولین سیستم BCI در سال ۲۰۰۳ شد. این حوزه همواره با دو چالش اساسی روبه‌رو بوده است: فناوری لازم برای ثبت دقیق سیگنال‌های مغزی و درک و تفسیر نقش هر سیگنال در عملکرد مغز. چالش دوم، یک مسئله بنیادی در علوم اعصاب است. اما در زمینه ثبت و پردازش سیگنال‌ها، پیشرفت‌های فناوری در طول یک قرن اخیر، دقت و کارایی سیستم‌های BCI را به میزان چشمگیری افزایش داده است.
واسط‌های مغز و کامپیوتر را چگونه طبقه‌بندی می‌کنیم؟
واسط‌های مغز و کامپیوتر را می‌توانیم بر اساس چند معیار مختلف طبقه‌بندی کنیم:
- شیوه‌ی ثبت سیگنال مغزی: در یک سیستم BCI، ما ممکن است سیگنال را به صورت تهاجمی (الکترودها مستقیم در تماس با بافت مغز)، نیمه‌تهاجمی (الکترود در سطح داخلی جمجمه) و غیرتهاجمی (الکترودها روی سطح پوست سر) دریافت کنیم.
- نوع تعامل کاربر با سیستم: فعال (کاربر بر فعالیت ذهنی خاص تمرکز دارد)، نیمه‌فعال، یا غیرفعال (نیازی به مشارکت کاربر نیست).
- ارائه یا عدم ارائه بازخورد در لحظه: حلقه بسته (با بازخورد) و حلقه باز (بدون بازخورد).
- نوع ارتباط: سیمی یا بی‌سیم.
واضح است وقتی که درباره‌ی نوع یک سیستم BCI صحبت می‌کنیم؛ همه‌ی این طبقه‌بندی‌ها با هم در نظر گرفته می‌شود. مثلا سیستمی ممکن است بی‌سیم، حلقه بسته، فعال و غیرتهاجمی باشد.
سیگنال‌های ورودی و خروجی یک واسط BCI را چطور دسته‌بندی می‌کنیم؟
برای سیگنال ورودی، سه حالت مغز را می‌توانیم در نظر بگیریم: حالت‌های کلی و معمول (مثل آرامش، خستگی و شادی)، تجربه‌ی ناگهانی (مانند اجرای حرکت بدنی خاص)، و حالت پاسخگو (پاسخ‌های مغز به محیط). درباره‌ی خروجی سیستم، با تنوع بیشتری روبرو هستیم. سیگنال خروجی می‌تواند EEG (الکتروانسفالوگرافی)، fNIRS (طیف‌نگاری کارکردی فروسرخ نزدیک)، MEG (مغناطیس‌انسفالوگرافی)، fMRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی کارکردی) یا ردیابی حرکات چشم باشد. پردازش هر یک از این سیگنال‌ها ممکن است به حرکت یک ربات، کنترل یک پروتز هوشمند، تایپ کردن از طریق ذهن یا موارد این‌چنینی ختم شود.
یک مجموعه‌ی BCI از چه اجزایی تشکیل شده‌است؟
یک سیستم رابط مغز و ماشین از چندین بخش اصلی تشکیل شده است:
- ادوات ثبت و تحریک: شامل الکترودها و حسگرهای مغزی برای ثبت سیگنال‌ها و گاهی تحریک عصبی.
- مدارهای پیش‌پردازش: تقویت، فیلترگذاری و حذف نویز سیگنال‌ها برای پردازش بهتر.
- واحد انتقال داده: اتصال سیگنال‌ها به رایانه یا سیستم مرکزی به‌صورت سیمی یا بی‌سیم.
- الگوریتم‌های پردازش داده: شناسایی الگوهای سیگنال و تبدیل آن‌ها به فرمان‌های قابل فهم.
- واحد خروجی: تعامل با محیط از طریق دستگاه‌های خارجی.
تیم‌های پژوهشی و صنعتی معمولاً به‌صورت تخصصی بر یکی از این اجزا تمرکز می‌کنند و توسعه‌ی چنین سیستم‌هایی نیازمند مهارت‌های متنوعی است.
چه پروژه‌های کلانی در سطح بین‌المللی در حوزه BCI در حال اجرا است؟
در حال حاضر، سرمایه‌گذاری‌های کلانی در سراسر جهان انجام می‌شود. برای مثال، پروژه‌ای با بودجه ۴۰ میلیون دلار از DARPA برای توسعه سیستم‌های پیشرفته خواندن و نوشتن اطلاعات مغزی در سربازان در جریان است. در بخش خصوصی، نورالینک (Neuralink) با هدایت ایلان ماسک بر ارتقای کیفیت ثبت سیگنال‌های عصبی کار می‌کند. پروژه‌هایی با تمرکز بر تبدیل افکار به گفتار و متن، و همچنین سیستم‌های بی‌سیم BCI، از دیگر زمینه‌های مورد توجه هستند. شرکت‌هایی مانند Medtronic، Boston Scientific، و OpenBCI نیز در این حوزه فعال‌اند.
چرا طراحی یک برنامه‌ی ملی در زمینه BCI ضروری است؟
توسعه BCI می‌تواند تحول بزرگی در حوزه‌های استراتژیک کشور ایجاد کند. برنامه ملی توسعه واسط‌های مغز-ماشین بر سه محور اصلی تمرکز دارد: کاربردهای ویژه (مثل کاهش هزینه‌های درمان بیماری‌های عصبی)، ارائه خدمات شناختی (مانند پروتزهای عصبی)، و پژوهش‌های پیشرفته. همچنین، اهداف فرعی شامل تقویت زیرساخت‌ها، گسترش دانش میان‌رشته‌ای، و تربیت نیروی انسانی متخصص است.
پیشرفتمان در این حوزه را چگونه ارزیابی می‌کنید؟
ما در توسعه واسط‌های مغز-ماشین ابتدا دانش پایه را کسب کرده، سپس به توسعه زیرساخت‌ها و طراحی محصولات عملی پرداخته‌ایم. از سال ۹۳ گام‌هایی برداشته شده و در یک سال و نیم اخیر با جدیت بیشتری پیگیری می‌شود. همکاری با ۳۵ دانشگاه و ۱۳۰ هیئت علمی از نقاط قوت ماست. پروژه‌هایی مانند تحریک عمقی مغز و ساخت ایمپلنت‌های مغزی در حال اجرا هستند، اما چالش‌هایی مثل تجاری‌سازی و جذب سرمایه‌گذار همچنان باقی است.
