يمثل الموجات فوق الصوتية الوظيفية (fUS) قفزة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا واجهة الدماغ والحاسوب، مما يوفر طريقة طفيفة التوغل للتحكم بدقة في الأجهزة الإلكترونية عن طريق تفسير نشاط الدماغ. واجهة الدماغ والحاسوب (BMI) هي جهاز يقرأ نشاط الدماغ ويترجمه إلى أجهزة إلكترونية للتحكم مثل الأطراف الاصطناعية أو مؤشر الكمبيوتر. يعدون بالسماح للمرضى المشلولين بتحريك الأجهزة الاصطناعية بأفكارهم.
تتطلب العديد من مؤشرات كتلة الجسم إجراء جراحة جراحية لزرع أقطاب كهربائية في الدماغ لقراءة النشاط العصبي. ومع ذلك، في عام 2021، طور الباحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا طريقة لقراءة نشاط الدماغ باستخدام الموجات فوق الصوتية الوظيفية (fUS)، وهي تقنية أقل تدخلاً بكثير.
الموجات فوق الصوتية الوظيفية: تغيير قواعد اللعبة بالنسبة لمؤشر كتلة الجسم
الآن، تثبت دراسة جديدة أن تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية الوظيفية يمكن أن تشكل الأساس لمؤشر كتلة الجسم "عبر الإنترنت"، وهو مؤشر يقرأ نشاط الدماغ، ويفسر معناه باستخدام وحدة فك ترميز مبرمجة بالتعلم الآلي، ثم يتحكم في جهاز كمبيوتر للتنبؤ بدقة بالحركة مع تأخيرات قصيرة للغاية.
تم إجراء البحث في مختبرات ريتشارد أندرسن، أستاذ جيمس جي بوسويل لعلم الأعصاب والمدير والرئيس القيادي لمركز T&C Chen لواجهات الدماغ والحاسوب، وميخائيل شابيرو، أستاذ ماكس ديلبروك للهندسة الكيميائية والهندسة الطبية وباحث معهد هوارد هيوز الطبي في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. تم إنجاز هذا العمل بالتعاون مع مختبر ميكائيل تانتر، مدير الفيزياء الطبية في INSERM في باريس، فرنسا.
مزايا الموجات فوق الصوتية الوظيفية
وقال أندرسون: "إن الموجات فوق الصوتية الوظيفية هي طريقة جديدة تمامًا يمكن إضافتها إلى صندوق أدوات واجهة الدماغ والحاسوب لمساعدة الأشخاص المصابين بالشلل". "إنها أقل تدخلاً من زراعة الدماغ ولا تتطلب إعادة معايرة مستمرة، وهو أمر جذاب. وكان تطوير هذه التكنولوجيا بمثابة جهد تعاوني حقيقي لم يكن من الممكن إنجازه بواسطة مختبر واحد وحده."
قال سمنر نورمان، الباحث المشارك السابق في مرحلة ما بعد الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمؤلف الأول المشارك للدراسة: "بشكل عام، جميع الأدوات التي تقيس نشاط الدماغ لها إيجابيات وسلبيات". "في حين أن الأقطاب الكهربائية يمكنها قياس نشاط الخلايا العصبية الفردية بدقة كبيرة، إلا أنها تتطلب زرعها في الدماغ نفسه ويصعب توسيعها إلى أكثر من بضع مناطق مخيخية. كما أن التقنيات غير الجراحية لها حدودها. يمكن للتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) قياس الدماغ بأكمله، ولكن لديه حساسية ودقة محدودة. وتتعرقل الطرق المحمولة مثل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) بسبب ضعف جودة الإشارة وعدم القدرة على تحديد وظائف الدماغ الأعمق."
وأوضح التصوير بالموجات فوق الصوتية
يعمل التصوير بالموجات فوق الصوتية عن طريق إصدار نبضات صوتية عالية التردد وقياس مدى صدى هذه الاهتزازات الصوتية في المواد، مثل الأنسجة المختلفة في جسم الإنسان. تنتقل الموجات الصوتية عبر هذه الأنواع من الأنسجة بسرعات مختلفة وتنعكس عند الحدود بينها. تُستخدم هذه التقنية بشكل شائع لالتقاط صور للجنين في الرحم وغيرها من وسائل التصوير التشخيصي.
نظرًا لأن الجمجمة نفسها غير منفذة للموجات الصوتية، فإن استخدام الموجات فوق الصوتية لتصوير الدماغ يتطلب "نافذة" شفافة في الجمجمة. وقالت ويتني غريغز، الحاصلة على درجة الدكتوراه، 23 عاماً، وأحد المؤلفين الأوائل للدراسة: "الأهم من ذلك، أن تقنية الموجات فوق الصوتية لا تتطلب زرعها في الدماغ نفسه". "وهذا يقلل بشكل كبير من فرصة الإصابة بالعدوى ويترك أنسجة المخ والأم الجافية الواقية سليمة."
وقال نورمان: "مع تغير نشاط الخلايا العصبية، يتغير أيضًا استخدامها للموارد الأيضية مثل الأكسجين. ويتم تجديد هذه الموارد من خلال تدفق الدم، وهو مفتاح الموجات فوق الصوتية الوظيفية".
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون الموجات فوق الصوتية لقياس التغيرات في تدفق الدم في مناطق معينة من الدماغ. تمامًا مثلما يتغير صوت صفارة سيارة الإسعاف عندما يقترب منك ويبتعد عنك، فإن خلايا الدم الحمراء ترفع طبقة الموجات فوق الصوتية المنعكسة عندما تقترب من مصدر الصوت وتخفضها عندما تتدفق بعيدًا. من خلال قياس ظاهرة تأثير دوبلر، يمكن للباحثين تسجيل تغييرات صغيرة في تدفق الدم في الدماغ في منطقة مكانية يبلغ عرضها 100 ميكرون فقط، أي حوالي عرض شعرة الإنسان. وقد سمح لهم ذلك بقياس نشاط مجموعات عصبية صغيرة في جميع أنحاء الدماغ في وقت واحد، بعضها يصل إلى 60 خلية عصبية.
يساعد التطبيق المبتكر على الرئيسيات غير البشرية الأشخاص المصابين بالشلل على استخدام أفكارهم للتحكم في أجهزة الكمبيوتر والأطراف الآلية
استخدم الباحثون الموجات فوق الصوتية الوظيفية لقياس نشاط الدماغ في القشرة الجدارية الخلفية (PPC) للرئيسيات غير البشرية، وهي المنطقة المسؤولة عن تخطيط الحركات وتسهيل تنفيذها. كان مختبر أندرسون يدرس المنطقة منذ عقود باستخدام تقنيات أخرى.
قام الباحثون بتعليم الحيوانات مهمتين تتطلب منهما إما التخطيط لتحريك أيديهم لتوجيه المؤشر على الشاشة أو التخطيط لتحريك أعينهم للنظر إلى جزء معين من الشاشة. إنهم يحتاجون فقط إلى التفكير في أداء المهمة دون تحريك أعينهم أو أيديهم فعليًا لأن مؤشر كتلة الجسم يقرأ النشاط المخطط له في PPC الخاص بهم.
قال شابيرو: "أتذكر كم كان هذا الفك التنبؤي مثيرًا للإعجاب قبل عشرين عامًا عند استخدام الأقطاب الكهربائية، والآن من المدهش أن نرى مدى فعاليته عند استخدام الموجات فوق الصوتية، وهي طريقة أقل تدخلاً".
نتائج واعدة وخطط مستقبلية
يتم إرسال بيانات الموجات فوق الصوتية في الوقت الفعلي إلى وحدة فك التشفير (التي تم تدريبها مسبقًا على استخدام التعلم الآلي لفك تشفير معنى البيانات)، والتي تقوم بعد ذلك بإنشاء إشارات تحكم لتحريك المؤشر إلى المكان الذي يريد الحيوان الذهاب إليه. كان مؤشر كتلة الجسم قادرًا على القيام بذلك بنجاح لثمانية أهداف شعاعية بمتوسط خطأ أقل من 40 درجة.
وقال غريغز: "على عكس مؤشرات كتلة الجسم الأخرى، فإن هذه التكنولوجيا لا تتطلب إعادة معايرة يومية لمؤشر كتلة الجسم، وهو أمر مهم". "على سبيل المثال، تخيل أنك بحاجة إلى إعادة معايرة فأرة الكمبيوتر لمدة تصل إلى 15 دقيقة كل يوم قبل استخدامها."
وفي الخطوة التالية، يخطط فريق البحث لدراسة أداء مؤشر كتلة الجسم بناءً على تقنية الموجات فوق الصوتية في جسم الإنسان ومواصلة تطوير تقنية fUS لتحقيق تصوير ثلاثي الأبعاد وتحسين الدقة.
نُشرت الدراسة التي تحمل عنوان "فك تشفير خطط الحركة باستخدام واجهة الدماغ والكمبيوتر بالموجات فوق الصوتية ذات الحلقة المغلقة" في مجلة Nature Neuroscience في 30 نوفمبر.
المصدر المجمع: ScitechDaily