اختراعی که اندام فلج را به حرکت در‌می‌آورد

عطیه لواسانی

«اراده کن، اندامت حرکت می‌کند»، این بزرگ‌ترین هدیه‌ای است که فناوری می‌تواند به یک فرد فلج، اهدا کند و حالا، نتایج تحقیقات یک دانشمند ایرانی، فصلی امیدبخش را پیش روی این عرصه گشوده است. «مریم شانه‌چی»، محقق ایرانی ساکن امریکا، با تکنیک جدید خود، از طریق رمزگشایی امواج مغزی و ترجمه آن برای اندام‌ها، روشی ابداع کرده است که با اجرایی شدن آن، امکان انتقال پیام‌های مغز به اندام‌های فلج، فراهم می‌شود. گروه محققان به سرپرستی مریم شانه‌چی، میانجی‌ها یا همان اینترفیس‌هایی اختراع کرده‌اند که علایم الکتریکی نورون‌های مغز را ضبط می‌کند و آنها را به حرکت تبدیل می‌کند.

در گزارش‌ها آمده است که این سیسستم، شبیه به همان مدلی است که در فیلم آواتار به نمایش گذاشته شده است. این میانجی‌ها، کارکردهای فراوانی دارد اما به صورت ویژه، برای بیمارانی که بر اثر مصدومیت، سکته مغزی یا بیماری‌های دیگر دچار فلج شده‌اند، کمک کننده خواهد بود. آنچه مریم شانه‌چی و همکارانش، به دنبال آن هستند، در دو بخش قابل بررسی است، نخست، ترجمه پیام‌های صادر شده از سوی مغز و دوم انتقال آن به دستگاه و یا عضو فلج.

 اظهارنظر «شانه‌چی»

«مریم شانه‌چی» استادیار مهندسی برق و کامپیوتر و پژوهشگر دانشگاه کورنل آمریکاست. او در این پروژه، با همکاری زیو ویلیامز استادیار جراحی مغز و اعصاب در دانشکده پزشکی هاروارد، به این موفقیت دست یافته است و توانسته، میانجی‌های مغز و ماشین را وارد مرحله تازه‌ای کند. شانه‌چی در مورد یکی از مهمترین مراحل چالش‌برانگیز هدفی که او به دنبال آن است گفته: چگونگی خلق و خو به مناطق متعدد در مغز برمی‌گردد و تنها به یک منطقه از آن مربوط نیست. بنابراین رمزگشایی حالت روحی، یک چالش محاسباتی منحصر به فرد است. ما درک کاملی از اینکه چگونه این مناطق فعالیت‌های خود را برای رمزگذاری خلق و خوی ما هماهنگ می‌کنند، نداریم و این کار ذاتا برای ارزیابی، دشوار است.

به گفته «شانه‌چی»، محققان برای حل این چالش، نیازمند توسعه روش‌های رمزگشایی هستند که سیگنال‌های عصبی توزیعی را از مناطق مختلف مغز، یکپارچه کرده و بخواند. لذا برای شروع حل این مشکل، محققان، سیگنال‌های عصبی مغز همه شرکت کنندگان در این مطالعه را مورد بررسی قرار دادند.

محققان برای دریافت بهترین داده‌های ممکن، گروهی متشکل از هفت بیمار را که قبلا در مغز آنها الکترود کار گذاشته شده بود، برای کمک به تشخیص تشنج‌های صرعی مطالعه کردند. بیماران به صورت دوره‌ای با استفاده از پرسشنامه و بیان احساس مقطعی خود، حالت روحی خود را گزارش می‌دادند.

با گذشت زمان، محققان حالت‌های گزارش شده را با سیگنال‌های مغز ثبت شده مطابقت دادند تا ببینند که هر حالت به چه شکل است. با استفاده از این سیستم، آنها سپس یک روش «رمزگشایی» ابداع کردند که بتواند امواج مغزی یک بیمار را بخواند و پیش‌بینی کند که چه احساسی دارد.

این سیستم می‌تواند کاربردهایی فراتر از خواندن احساسات داشته باشد و می‌تواند مجرمان غیرقابل کنترل را تحت کنترل درآورد.

در حال حاضر، این مطالعه به دنبال درمان اختلالاتی مانند اضطراب و افسردگی با تحریک الکتریکی مغز است. این سیستم رمزگشایی جدید می‌تواند به همراه فناوری تحریک الکتریکی مغز برای نظارت بر اینکه یک فرد دقیقا چه زمانی نیاز به کمک دارد، استفاده شود.

شانه‌چی می‌گوید: هدف ما ایجاد یک فناوری است که به پزشکان کمک کند تا نقشه دقیق‌تری از آنچه که در مغز یک فرد افسرده در یک لحظه خاص اتفاق می‌افتد، به دست آید و راهی برای درک آنچه سیگنال مغز ما درباره خلق و خو به ما می‌گوید به آنها بدهد. در واقع این سیستم به ما اجازه می‌دهد که یک ارزیابی دقیق از تغییر حالات روحی افراد در طول زمان برای طراحی دوره درمان داشته باشیم. این فناوری امکان درمان‌های اختصاصی برای اختلالات روانپزشکی مانند افسردگی و اضطراب را برای میلیون‌ها نفر که به درمان‌های سنتی پاسخ نمی‌دهند، فراهم می‌کند.

این محقق ایرانی به عنوان نویسنده اصلی این پژوهش، در عین حال تاکید می کند که «البته این کار تا اجرایی شدن فاصله دارد. احساسات، غالبا ناپایدار هستند و مغز بسیار پیچیده است و به طور مشخص معلوم نیست کدام سیگنال‌ها با آنها ارتباط دارد».

محققانی که قصد دارند پیام‌های مغز را شناسایی و ترجمه کنند، در واقع وارد یکی از پیچیده‌ترین و رمزآلودترین بخش‌های طبیعت شده‌اند، چراکه خلق و خوی انسان، می‌تواند بسیار مرموز و عجیب باشد و گاهی اوقات به صورت تصادفی تغییر می‌کند و لزوما به آنچه که فرد در حال انجام آن است وابسته نیست.

مغز یک موجود پیچیده است، بنابراین دشوار است که بگوییم کدام قسمت‌ها مسئولیت کدام کارکردها را بر عهده دارند، چرا که بسیاری از عملکردها تنها به یک منطقه خاص از مغز مربوط نیستند و شامل مناطق مختلفی از مغز می‌شوند. احساسات هم یک مثال از این دست است که فهم و دریافت آن بسیار دشوار است. بر این اساس بسیار طبیعی است که حتی علم اعصاب نیز نمی‌تواند زمانی که ما شادی و غم را احساس می‌کنیم، کاملا از آنچه که در مغز اتفاق می‌افتد باخبر شود. با چنین توضیحاتی است که باید پذیرفت موفقیت تیم محققان دانشگاه کالیفرنیا به سرپرستی مریم شانه‌چی، در ابداع یک تکنیک جدید برای خواندن سیگنال‌های مغز که به خلق و خوی  بیمار پی می‌برد، موفقیت مهمی به شمار می‌رود. دامنه کاربرد این تکنیک بسیار گسترده خواهد بود و برای مثال می‌تواند منجر به درمان‌های جدید برای افسردگی و اضطراب شود. اما با توسعه این تکنیک و افزودن ابزارهایی که بتواند پس از خوانش پیام‌های مغز، آن‌ها را به اندام‌ها برساند، ماجرا، ابعاد هیجان‌انگیزتری پیدا می‌کند.

ایمپلنت‌های مغزی

شانه‌چی می‌گوید «کار گذاشتن الکترود داخل جمجمه، بسیار تهاجمی است و نمونه کوچک هفت نفره این مطالعه نیز به اندازه کافی برای اعلام نتیجه قطعی کافی نیست. با این حال، این کار به عنوان اولین گام، جذاب است». او و همکارانش، همچنین در طرحی تحقیقاتی، در صدد برآمدند با ساخت ایمپلنت‌های مغزی به جای آن که علایم الکتریکی مغز، یک دستگاه را به حرکت در آورد، بتوانند سیستم را به نحوی ارتقا دهند که افراد فلج، تنها با فکر کردن، اعضای بدن خودشان را به حرکت درآورند. هنگامی که بیمار درباره حرکت دادن یکی از اندام‌هایش «فکر می‌کند» یا «تصمیمی می‌گیرد»، نورون‌های مناطق کنترل حرکت مغز، فعال می‌شوند و این در حالی است که حلقه ارتباطی میان مغز و ماهیچه‌ها از هم گسسته است.

با کار گذاشتن حسگرهایی در این مناطق مغز، می‌توان فعالیت نورون‌ها را ضبط کرد و با استفاده از یک مبدل به نام «رمزگشا» ، آن‌ها را به حرکت دلخواه بیمار تبدیل کرد. این میانجی‌ها به بیماران امکان می‌دهد با فکر خود مستقیما اندام‌های شان را به حرکت درآورند. شانه‌چی و همکارانش، در مقاله‌ای که در نشریه ارتباطات نیچر منتشر شده، چنین اندام مصنوعی یا پروتزی را که حرکات هدفمند را به اعضای فلج شده هدایت می‌کند توصیف کرده‌اند. آن‌ها پروتزی را ساخته و آزمایش کرده‌اند که دو میمون رزوس نر را به هم متصل می‌کند، به این ترتیب که حیوان نخست را قادر می‌سازد فعالیت ضبط شده نورون‌هایش را به اعضای بدن حیوان دیگری که موقتا بیهوش شده است بفرستد و آنها را کنترل کند.

این آزمایش، همان گامی است که رویدادی مهم در جهت ساخت میانجی‌های مغزی-ماشینی برای بیماران فلج به شمار می‌رود تا به واسطه آن بتوانند تنها با فعالیت مغزی، اندام‌های‌شان را به حرکت درآورند. اساس کار میانجی مغزی-ماشینی، مجموعه‌ای از الگوریتم‌هاست که با پردازش علایم عصبی، حرکات مورد نظر آنها را پیش‌بینی می‌کنند. در آزمایش مذکور، یک جانور نقش کنترل کننده حرکت یا «ارباب» را ایفا کرد. فعالیت مغزی این جانور، به شکل حرکاتی که قصد انجامش را داشت تعبیر شد. آنگاه این حرکات رمزگشایی شده مستقیما برای کنترل اندام حیوان دوم، از طریق تحریک الکتریکی نخاع آن، به کار گرفته شد. دکتر شانه‌چی در توضیح این طرح گفته است: «مشکل نه فقط رمزگشایی از فعالیت ضبط شده نورون‌ها و تبدیل آن‌ها به حرکت مورد نظر بود، بلکه باید نخاغ جانور دوم هم به درستی تحریک می‌شد تا اندام فلج شده را طبق همان پیام، به حرکت در می آورد». این آزمایش جدید از این جهت تازگی دارد که در آن از دو حیوان استفاده شده بود، نه فقط یک جانور که اندامش موقتا فلج شده باشد.

از این طریق، دانشمندان تصور می‌کنند که مدلی واقعی از فلج اعضا دارند، چرا که مغز جانور ارباب و اندام جانور بیهوش شده، هیچ ارتباط فیزیولوژیکی با یکدیگر ندارند. آزمایشگاه دکتر شانه‌چی اکنون ساختن میانجی‌های مغزی-ماشینی پیچیده‌تری را در دستور کار دارد که امکان تولید پروتزهایی با قابلیت‌های بالا را به وجود می‌آورند. این دستگاه‌ها را می‌توان برای کنترل یک عضو مصنوعی یا طبیعی به کار گرفت. موفقیت فعالیت‌های «مریم شانه‌چی» در دو بخش «رمزگشایی از پیام‌های مغز» و «ابداع پروتزی که نقش انتقال دهنده پیام‌های مغز را ایفا کند»، منشا تحولی قابل توجه و البته بسیار ستودنی خواهد بود.