معجزه تکنولوژی ایمپلنت مغزی؛ بازگشت توانایی تکلم به بیماران ALS با هوش مصنوعی - دیار سلمان

این ابزار نوآورانه نه تنها افکار او را به متن تبدیل می کند، بلکه آن ها را با طنین صدای واقعی خودش بازگو می کند. در دنیایی که فلج کامل پیش تر به معنای انزوای ابدی بود، حالا این واسط های مغز و رایانه دریچه ای رو به آزادی و بازیابی هویت فردی گگردده اند. این پژوهش نشان می دهد که چگونه مرزهای میان انسان و ماشین برای بازگرداندن کرامت انسانی در حال فروپاشی است.

استفاده از تکنولوژی ایمپلنت مغزی برای درمان فلج گفتاری اکنون فراتر از آزمایشگاه ها رفته و به خانه های بیماران راه یافته است تا معنای زندگی را برای آن ها بازتعریف کند.

01

صدایی از اعماق سکوت: داستان کیسی هارل

مردی که با فلج شدید دست وپنجه نرم می کند و دیگر توان حرکت دادن تقریباً هیچ بخشی از بدن خود را ندارد، اکنون به یاری یک ایمپلنت مغزی آزمایشی قادر است طبق شرایط و خواسته خود سخن بگوید. خانواده او خاتمه می توانند بار دیگر صدای او را بشنوند، چرا که نسخه ای دیجیتالی از صدایش افکار او را با صدای بلند قرائت می کند. کیسی هارل به نوع پیشرفته ای از اسکلروز جانبی آمیوتروفیک یا همان ALS مبتلا است که باعث شده تکلم طبیعی او برای دیگران بسیار سخت و نامفهوم گردد.

نزدیک به دو سال، مغز این مرد 47 ساله به یک رمزگشای متن که به صورت مداوم اجرا می گردد متصل بوده است. این واسط عصبی پیشرفته به هارل اجازه داده تا بیش از 183 هزار جمله و نزدیک به 2 میلیون کلمه را بیان کند، دستاوردی که در دنیای پزشکی یک معجزه به شمار می رود.

02

تکنولوژی ایمپلنت مغزی برای درمان فلج گفتاری چگونه کار می کند؟

این فناوری آینده نگرانه احتیاجمند جراحی و کاشت الکترود در بخش خاصی از مغز است. آرایه های الکترودی قرار داده شده در این ناحیه می توانند فعالیت های عصبی را هنگام کوشش فرد برای صحبت کردن شناسایی نمایند، حتی اگر آن فرد نتواند لب های خود را تکان دهد. داده های عصبی بلافاصله به وسیله یک رمزگشای گفتار خارجی شناسایی شده و در لحظه روی صفحه نمایش کامپیوتر ظاهر می شوند.

هارل با استفاده از نگاه خیره خود در صفحه نمایش پیمایش می کند. تمرکز او به صورت یک مکان نما یا کرسر دایره ای سفید نشان داده می گردد و او می تواند تنها با نیروی فکر خود کلیک کند. اگرچه اتصال دستگاه در صبحگاه با یاری یک مراقب کمی زمان می برد، اما کل سیستم روی یک چرخ دستی متحرک نصب شده و می تواند در تمام طول روز همراه هارل باشد. او با استفاده از این ابزار می تواند به طور مستقل ایمیل و پیغام ارسال کند، در اینترنت به جستجو بپردازد و علیرغم شرایط جسمانی اش، شغل تمام وقت خود را حفظ نماید.

03

بازگشت هویت انسانی و پیوند دوباره با خانواده

شاید مهم ترین جنبه این فناوری، توانایی برقراری ارتباط با عزیزان باشد. صدای دیجیتالی که افکار او را بازگو می کند، به گونه ای طراحی شده که شباهت زیادی به صدای واقعی هارل پیش از ابتلا به بیماری داشته باشد. هارل به وسیله این سیستم به اشتراک گذاشته است که توانایی نگاه کردن به چشمان همسرش وقتی صدای او را می شنود، تجربه ای بسیار شیرین است. او اکنون می تواند خاطرات زیبا را مرور کند و برای دخترش که دوران سخن گفتن او را به یاد نمی آورد، شرح دهد که صدایش در گذشته چگونه بوده است.

این فناوری زندگی او را دگرگون نموده و به هارل اجازه می دهد کارهای بسیار زیادی انجام دهد و به عنوان یک موجود انسانی به زندگی اش متصل بماند. دانشمندان امیدوارند که این دستگاه های آزمایشی در دنیای واقعی و در درازمدت عملکرد موفقی داشته باشند. دیوید براندمن، جراح مغز و اعصاب و پژوهشگر ارشد این تحقیق، معتقد است که ما از آستانه توانمندسازی افراد فلج برای صحبت کردن با شرایط خودشان عبور نموده ایم.

04

دقت خیره نماینده و حریم خصوصی در واسط های مغزی

هارل در یک کارآزمایی بالینی آزمایشی در ایالات متحده به نام BrainGate 2 شرکت نموده است. این تحقیق برای آنالیز ایمنی و امکان سنجی یک واسط تازه مغز و رایانه در افراد مبتلا به فلج چهار اندام که دارای اختلالات گفتاری شدید هستند، طراحی شده است. هارل اکنون می تواند سیستم را تقریباً به طور مستقل در خانه استفاده کند.

طبق گزارش پژوهشگران، هارل بزرگ ترین مجموعه داده ضبط شده مغزی در این آزمایش را تا به امروز جمع آوری نموده است. او بیش از 400 روز و مجموعاً بیش از 3800 ساعت تمرین با دستگاه را پشت سر گذاشته است. سرعت میانه ارتباط او حدود 56 کلمه در دقیقه است که پیشرفت قابل توجهی را نشان می دهد.

نکته حائز اهمیت این است که هارل کنترل سکوت خود را نیز در اختیار دارد. او می تواند حالت حریم خصوصی را فعال کند تا بعضی از افکارش را نزد خود نگه دارد. زمانی که او به وسیله سیستم صحبت می کند، برنامه در حدود 92 درصد مواقع کاملاً دقیق عمل می کند که برای یک تکنولوژی در این سطح، عددی شگفت آور است.

05

تحلیلی بر تاریخچه و آینده واسط های مغز و رایانه (BCI)

تکنولوژی واسط مغز و رایانه مسیری طولانی را از آزمایشگاه های تحقیقاتی تا کاربردهای خانگی طی نموده است. در دهه های گذشته، این ابزارها تنها قادر به تشخیص الگوهای بسیار ساده حرکتی بودند، اما ادغام هوش مصنوعی و یادگیری عمیق، امکان ترجمه سیگنال های پیچیده عصبی به کلمات را فراهم نموده است.

تفاوت اصلی مورد کیسی هارل با موارد پیشین، در شخصی سازی صدا و سرعت انتقال داده است. پیش از این، افرادی مانند استیون هاوکینگ از سیستم های مبتنی بر حرکت عضلات گونه استفاده می کردند که سرعت بسیار پایینی داشت. اما اکنون، تکنولوژی ایمپلنت مغزی برای درمان فلج گفتاری مستقیماً به منبع فراوری فکر در قشر حرکتی مغز متصل می گردد. این جهش علمی نه تنها برای بیماران ALS، بلکه برای کسانی که دچار سکته مغزی یا آسیب های نخاعی شده اند نیز افق های روشنی ترسیم می کند. چالش بعدی دانشمندان، بی سیم کردن این سیستم ها و کاهش احتیاج به جراحی های تهاجمی به وسیله الکترودهای ظریف تر و منعطف تر است.

06

حقایق جالب و حواشی علمی در دنیای نوروتکنولوژی

جالب است بدانید که مغز انسان حتی در حالت فلج کامل، همچنان سیگنال های مربوط به ادای کلمات را فراوری می کند، گویی فرد در حال فریاد زدن در فضای خلاء است. تکنولوژی ایمپلنت مغزی در واقع نقش یک گوش شنوا را ایفا می کند که این نجوای عصبی را دریافت نموده و به زبان دیجیتال ترجمه می کند.

یکی از نکات شگفت انگیز در خصوص کیسی هارل، توانایی مغز او در تطبیق یافتن با دستگاه است؛ پدیده ای که نوروپلاستیسیتی نامیده می گردد. هرچه هارل بیشتر از دستگاه استفاده می کند، الگوهای عصبی او برای هوش مصنوعی شفاف تر شده و خطاها کاهش می یابد.

بعلاوه، استفاده از صدای بازسازی شده فرد (Voice Cloning) تأثیر روانی عمیقی بر درمان افسردگی ناشی از انزوا در بیماران دارد. تحقیقات نشان می دهد که وقتی بیمار صدای واقعی خود را می شنود، احساس تعلق به جامعه و اعتماد به نفس او به طرز چشمگیری بهبود می یابد. این موضوع ثابت می کند که درمان تنها به معنای برطرف مشکل فیزیکی نیست، بلکه بازگرداندن روحیه و هویت فردی به همان مقدار اهمیت دارد.

سوالات متداول کاربران

1. آیا این ایمپلنت مغزی می تواند افکار ناخواسته را هم فاش کند؟

خیر، این سیستم تنها فعالیت های عصبی مرتبط با کوشش آگاهانه برای تکلم را رمزگشایی می کند. علاوه بر این، وجود حالت حریم خصوصی به کاربر اجازه می دهد تا هر زمان که تمایل داشت، فرآیند ترجمه را متوقف کند. بنابراین حریم شخصی کاربر کاملاً حفظ شده و افکار درونی او بدون اراده به متن تبدیل نمی شوند.

2. طول عمر فیزیکی این الکترودها در داخل مغز چقدر است؟

در حال حاضر این دستگاه ها برای استفاده چندین ساله طراحی شده اند و مورد کیسی هارل که دو سال از آن استفاده نموده، گویای پایداری آن است. با این حال، با گذشت زمان ممکن است بافت جوشگاهی در اطراف الکترودها ایجاد گردد که کیفیت سیگنال را کاهش دهد. دانشمندان در حال توسعه مواد زیست سازگاری هستند که بتوانند دهه ها بدون افت کیفیت در محیط مغز باقی بمانند.

3. تفاوت این تکنولوژی با سیستم مورد استفاده ایلان ماسک (نورالینک) چیست؟

سیستم BrainGate که هارل از آن استفاده می کند، سابقه ای طولانی تر در محیط های آکادمیک دارد و روی دقت ترجمه گفتار متمرکز است. نورالینک بر طراحی تراشه های بی سیم و بسیار ظریف با تعداد الکترودهای بیشتر تمرکز دارد تا کاشت آن آسان تر باشد. هر دو تکنولوژی هدف مشابهی دارند، اما در جزئیات مهندسی و روش های کاشت با یکدیگر متفاوت هستند.

4. آیا برای استفاده از این سیستم احتیاج به اینترنت دائمی است؟

بخش اصلی پردازش و رمزگشایی کلمات معمولاً به وسیله سخت افزار محلی متصل به دستگاه انجام می گردد و احتیاجی به اینترنت ندارد. البته برای به روزرسانی مدل های زبانی هوش مصنوعی یا استفاده از امکانات ابری، اتصال به شبکه می تواند مفید باشد. این ویژگی باعث می گردد بیمار در محیط های مختلف بدون نگرانی از قطع ارتباط، به صحبت کردن ادامه دهد.

5. هزینه تقریبی این جراحی و تجهیزات در آینده چقدر خواهد بود؟

در حال حاضر این پروژه ها در مرحله کارآزمایی بالینی هستند و هزینه ها به وسیله مراکز تحقیقاتی پوشش داده می گردد. پیش بینی می گردد با فراوری انبوه، قیمت آن با سایر پروتزهای پزشکی پیشرفته قابل رقابت باشد. هدف نهایی این است که شرکت های بیمه این هزینه ها را به عنوان یک ضرورت حیاتی برای بیماران فلج تحت پوشش قرار دهند.

6. آیا افراد با انواع دیگر فلج (مانند سکته مغزی) هم می توانند از آن استفاده نمایند؟

بله، این تکنولوژی پتانسیل بالایی برای یاری به قربانیان سکته مغزی که دچار سندرم قفل شدگی شده اند، دارد. تا زمانی که قشر حرکتی مغز سالم باشد و سیگنال های مربوط به تکلم را فراوری کند، امکان رمزگشایی وجود خواهد داشت. تحقیقات گسترده ای در حال اجرا است تا دامنه استفاده از این واسط ها به انواع مختلف آسیب های عصبی توسعه یابد.

7. بازسازی صدای فرد (Voice Cloning) چگونه انجام می گردد؟

الگوریتم های هوش مصنوعی با استفاده از فایل های صوتی قدیمی فرد که پیش از بیماری ضبط شده، ویژگی های آوایی او را استخراج می نمایند. این مدل سپس روی متن های رمزگشایی شده اعمال می گردد تا خروجی صوتی با همان طنینی فراوری گردد که اطرافیان به یاد دارند. این فرآیند به قدری دقیق است که حتی تکیه کلام ها و لهجه خاص فرد نیز در صدای دیجیتالی حفظ می گردد.

8. آیا کاشت این قطعات در مغز خطرات جانبی در پی دارد؟

مانند هر جراحی مغز دیگری، خطراتی نظیر عفونت، خونریزی یا واکنش آلرژیک به قطعات وجود دارد. با این حال، استفاده از روش های جراحی با حداقل تهاجم و ربات های جراح، این خطرات را به حداقل رسانده است. پایش مداوم سلامتی بیمار در طول سال های پس از کاشت، بخشی جدایی ناپذیر از پروتکل های ایمنی این تحقیقات است.

9. سرعت تایپ 56 کلمه در دقیقه در مقایسه با تکلم عادی چگونه است؟

سرعت تکلم یک انسان معمولی حدود 120 تا 150 کلمه در دقیقه است، بنابراین سیستم فعلی حدود یک سوم سرعت طبیعی عمل می کند. با این حال، 56 کلمه در دقیقه برای یک فرد فلج که پیش تر قادر به ارتباط نبوده، سرعتی فوق العاده و معادل تایپ سریع با دست است. دانشمندان امیدوارند با بهبود مدل های پیش بینی کلمات، این سرعت را به مرز تکلم طبیعی انسان نزدیک نمایند.

جمع بندی نهایی

پیشرفت در تکنولوژی ایمپلنت مغزی برای درمان فلج گفتاری، تنها یک پیروزی علمی نیست، بلکه بازپس گیری مرزهای از دست رفته انسانیت است. داستان کیسی هارل نشان داد که چگونه همگرایی جراحی اعصاب، هوش مصنوعی و مهندسی داده می تواند سکوت تحمیلی بیماری های صعب العلاج را درهم بشکند. بازیابی صدای واقعی بیمار، پلی عاطفی میان او و دنیا اطراف ایجاد می کند که فراتر از انتقال ساده اطلاعات است. با دقت 92 درصدی و سرعت رو به رشد این سیستم ها، دیگر دور نیست روزی که معلولیت های شدید گفتاری به خاطره ای در تاریخ پزشکی تبدیل شوند. این مسیر نه تنها امید را به خانه های بیماران بازگردانده، بلکه استاندارد تازهی برای تعامل انسان و ماشین تعریف نموده است که در آن، تکنولوژی در خدمت والاترین ارزش های بشری یعنی ارتباط و محبت قرار می گیرد.

منبع