مکانیزم ایجاد پیام سلولی
دستگاه عصبی یا سیستم عصبی یا سامانهٔ عصبی (Nervous System) در بدن جانوران به هماهنگی فعالیتهای ماهیچهها پرداخته، اندام گوناگون را تحت نظارت درآورده، و ایجاد و توقّف ورودیهای مربوط به حواس مختلف را باعث میشود. وظیفه کنترل اعمال بدن بر عهدهٔ دو سامانهٔ عصبی و غدهای درونی میباشد، که از این میان، سامانهٔ عصبی، از یاختههای عصبی و یاختههای کمکی تشکیل شدهاست.
به این ترتیب دستگاه عصبی، با ساختار و کار ویژهای که دارد، در جهت ایجاد هماهنگی بین اعمال سلولها و اندامهای مختلف بدن تمایز و تکامل یافتهاست. خواص ویژهٔ آن عبارت اند از تأثیرپذیری نسبت به محرکهای خارجی، ایجاد یک جریان عصبی که نمایانگر تأثیر محرک است، هدایت جریان عصبی از یک نقطهٔ دستگاه به نقطهٔ دیگر و سرانجام انتقال آن از یک واحد عصبی به یک واحد دیگر
تقسیمبندی دستگاه عصبی
تقسیمبندی دستگاه عصبی معمولا بر دو مبنای کالبدشناختی (آناتومیک) و کارکردی صورت میگیرد.
از دیدگاه کالبدشناختی
دستگاه عصبی را از دیدگاه کالبدشناختی به دو بخش تقسیم مینمایند، که عبارتاند از:
- دستگاه عصبی مرکزی از مغز و نخاع تشکیل گردیدهاست.
- دستگاه عصبی محیطی: از۱۲ جفت رشتههای عصبی مغزی و ۳۱ جفت رشتههای عصبی نخاع تشکیل گردیدهاست که مغز و نخاع را به سایر قسمتهای بدن ارتباط میدهند. دستگاه عصبی محیطی شامل دو بخش اصلی حسی و حرکتی است. بخش حسی اطلاعات اندامهای حس را به دستگاه عصبی مرکزی هدایت میکند، و بخش حرکتی ارسال پیام عصبی را به اندامهای حرکتی بر عهده دارد و خود شامل دو دستگاه مستقل میشود: دستگاه عصبی پیکری و دستگاه عصبی خودمختار
از دیدگاه کارکردی
از دیدگاه کارکردی سامانهٔ عصبی را به دو بخش تقسیم مینمایند:
- دستگاه عصبی محیطی: بخش ارادی سامانهٔ عصبی بوده و به ماهیچههای اسکلتی و همچنین ماهیچه زبان عصبدهی مینماید. برخی از فعالیتها در این دستگاه همچون انعکاسهای نخاعی، غیر ارادی اند
- سامانه عصبی خودگردان و یا خودمختار : همانطور که از نام آن مشخص است، سامانهٔ عصبی کاملاً غیر ارادی بوده که بر اعمال اندام درونی بدن، غدهها و... نظارت دارد و شامل دو گروه رشتههای عصبی سمپاتیک و رشتههای عصبی پاراسمپاتیک میباشد که حالت پایدار بدن را حفظ میکنند. عمل این دو بخش به طور معمل برخلاف یکدیگر است.
وظیفه دستگاه عصبی
سامانهٔ عصبی سه وظیفه اصلی دارد: دریافت حواس، ترکیب دادهها واعمال حرکات. این فعالیتهای عصبی به طور کلی در دو جهت انجام میگیرند: تنظیم فعالیتهای درونی بدن و تنظیم موقعیت جانور نسبت به محیط اطراف. البته در اغلب موارد، هر دو نوع تنظیم عصبی داخلی و خارجی با هم کار میکنند.[۱] دریافت حواس هنگامی اتفاق میافتد که بدن از راه نورونها، گلیا و سیناپسها به گردآوری اطلاعات و دادهها میپردازد. دستگاه عصبی از سلولهای عصبی قابل تحریک و سیناپسهایی پایه ریزی میگردد که سلولها را به یکدیگر یا به مراکز سراسری و یا به دیگر نورونها متصل میکنند. کارکرد این نورونها بر پایه تحریک و بازدارندگی است و هرچند سلولهای عصبی از دید اندازه و مکان متفاوت هستند، ولی روش ارتباط میان آنهاست که تعیین کننده کارکرد آنها میباشد تفاوت دارد. این رشتههای عصبی محرکهای عصبی را از گیرندههای حسی به مغز و نخاع هدایت میکنند. پردازش اطلاعات درنهایت با ترکیب دادهها و فقط درمغز صورت میپذیرد. پس از پردازش اطلاعات درمغز، فرمانهای عصبی ازطریق مغز و نخاع به ماهیچهها و غدهها هدایت میشوند که به این فرایند اعمال حرکت گفته میشود. سلولهای گلیا داخل بافتها یافت میشوند و قابل تحریک نیستند.
جنین شناسی دستگاه عصبی
در هفته سوم پس از لقاح، در ناحیه پشتی جنین، نوار طولی از اکتودرم ظاهر شده که دارای دو پایانه سری و دمی میباشد، این صفحه، صفحه عصبی (Neural Plate) گفته میشود، از آنجایی که رشد اطراف صفحه بیش از نواحی مرکزی آن میباشد پس از مدتی صفحه بصورت ناودان مانند موسوم به ناودان عصبی (Neural Groove) و با ادامه روند رشد، سرانجام بصورت لوله در امده که به آن لوله عصبی (Neural Tube) گفته میشود.
دستگاه عصبی مرکزی
نمایی کلی از دستگاه عصبی مرکزی شامل مغز و نخاع
دستگاه عصبی مرکزی با از دو قسمت مغز و نخاع (medulla spinalis) تشکیل شدهاست. مغز در داخل حفره جمجمهای جای دارد و توسط کپسولی استخوانی محافظت میشود. نخاع نیز در داخل حفره نخاعی جای دارد و توسط ستون مهرهها حمایت میشود. هم مغز و هم نخاع در داخل پوششی بنام مننژ قرار دارند و مایع مغزی نخاعی نیز فضای بین این اعضا و مننژ را پر کرده است[۶].
دستگاه عصبی مرکزی از دو بخش ماده سفید و خاکستری (Gray and White Matter) تشکیل یافتهاست. ماده خاکستری حاوی سلولهای عصبی و قسمت ابتدایی زواید آنها است و ماده سفید حاوی الیاف عصبی است.
مغز
نوشتار اصلی: مغز
مغز در داخل حفره جمجمهای جای دارد و از راه سوراخ ماگنوم به نخاع متصل میشود. قسمت پایینی مغز را که به طناب نخاعی متصل میشود را بنام ساقه مغز (Brain Stem) میشناسند و قسمت جلویی مغز را جلومغز (پروزانسفالون) (Prosencephalon) مینامند.
در رویان ۵ هفتهای جلومغز از دو قسمت تشکیل شدهاست: تلانسفال (Telencephalon) و دیانسفال(Diencephalon). تلانسفال که نیمکرههای مغزی را میسازد و دیانسفال که چشمها، هیپوفیز، تالاموس، هیپوتالاموس و اپی فیز (جسم پینه آل) را میسازد.
ساقه مغز از دو تشکیل شدهاست: مزانسفالون (Mesencephalon) یا مغز میانی و رومبانسفالون (Rhombencephalon) یا مغز خلفی.
نمای از تمایز دستکاه عصبی مرکزی در دوران جنینی
رومبانسفالون نیز از دو بخش تشکیل شدهاست: متانسفالون (Metencephalon) که در آینده پل مغز (Pons) و مخچه (Cerebellum) از آن منشا میگیرد و میلانسفالون (Myelencephalon) که در آینده پیاز مغز (Medulla oblongata) را میسازد
وزن مغز: وزن مغز در انسانها بطور متوسط بین ۱۲۵۰ تا ۱۶۰۰ گرم میباشد. وزن مغز با وزن بدن نیز ارتباط دارد و معمولا افراد سنگین وزن تر دارای وزن مغز بیشتری میباشند. متوسط وزن مغز در مردان ۱۳۵۰ گرم و در زنان ۱۲۵۰ گرم میباشد. در سن ۲۰ سالگی وزن مغز به حداکثر میزان خود میرسد. در سنین پیری وزن مغز به علت آتروفی وابسته به سن (age-related atrophy) کاهش مییابد. باید توجه داشت که میزان وزن مغز افراد با میزان هوش آنها ارتباطی ندارد
نخاع
نخاع درون ستون مهرهها از پیاز مغز تا کنار پایینی اولین مهره کمری امتداد دارد و مغز را به دستگاه عصبی محیطی متصل میکند. نخاع در کودکان بلند تر بوده و تا کنار بالایی سومین مهره کمری امتداد دارد. نخاع علاوه بر انتقال اطلاعات حسی به مغز و پیامهای عصبی به ماهیچهها، مرکز برخی از انعکاسهای بدن است. انعکاس (Reflex)، پاسخ ناگهانی و غیر ارادی ماهیچهها در پاسخ به محرکهاست.
۳۱ جفت عصب به نخاع متصل است. هر عصب شامل یک ریشهٔ پشتی و یک رشتهٔ شکمی است. ریشههای پشتی محتوی نورونهای حسیاند که اطلاعات را از گیرندههای حسی به دستگاه عصبی مرکزی وارد میکنن. ریشههای شکمی محتوی نورونهای حرکتی اند که پاسخ حرکتی را از دستگاه عصبی مرکزی به ماهیچهها و غدهها منتقل میکنند.
در برش عرضی نخاع دو بخش دیده میشود: بخشی در وسط که از جنس مادهٔ خاکستری است و شامل جسم سلولی نورونهاست، و بخشی از جنس مادهٔ سفید که محتوی آکسون و دندریت نورونهاست و بخش خاکستری را دربر گرفتهاست. همچنین در بخش خاکستری نخاع، نورونهای رابط وجود دارند که باعث ارتباط نورونها با یکدیگر میشوند
[ویرایش] محافظت از دستگاه عصبی مرکزی
لایههای مننژ
دستگاه عصبی مرکزی پستانداران به چند روش محافظت میشود. نخستین عامل، استخوانهای جمجمه و ستون مهرهها هستند که جعبهای محکم و استخوانی برای محافظت از مغز و نخاع به وجود میآورند. افزون بر آن، مغز و نخاع را پردهای سهلایهای به نام مننژ میپوشاند. پردهٔ بیرونی مننژ از نوع بافت پیوندی محکم است و سختشامه نام دارد. در زیر آن لایهٔ عنکبوتیه قرار دارد، و لایهٔ درونی مننژ نرمشامه است که دارای مویرگهای خونی فراوان است و بافت مغزی را تغذیه میکند. میان لایهٔ عنکبوتیه و نرمشامه فضایی هست که از مایعی به نام مایع مغزی-نخاعی پر شدهاست و نقش ضربهگیر را دارد.
همچنین، سلولهای پوششی دیوارهٔ مویرگهای مغزی، فاقد منافذی هستند که در سایر بافتها دیده میشود. در نتیجه بسیاری از مواد که در متابولیسم سلولهای مغز نقشی ندارند و نیز میکروبها معمولاً نمیتوانند وارد مغز شوند. به این عامل حفاظتکننده سد خونی-مغزی میگویند[۱].نورونهای دستگاه عصبی مرکزی بوسیله انواعی از سلولهای غیر قابل تحریک که نوروگلی نامیده میشوند حمایت میشوند.
نوروگلی
ایندسته از سلولها وظیفه حمایت از سلولهای عصبی یا همان نورونها را بر عهده دارند و غیر عصبی هستند. گرچه این سلولها کوچکتر از نورونها هستند ولی ولی از لحاظ تعداد ۵ تا ۱۰ برابر نورونها هستند به طوری که نصف حجم مغز و نخاع را شامل میشوند. این سلولها به ۴ دسته کلی تقسیم میشوند:
دستگاه عصبی محیطی
دستگاه اعصاب محیطی از اعصاب مغزی (Cranial nerves)، اعصاب نخاعی (Spinal nerves) و عقدههای مربوط به آنها تشکیل شدهاست.
اعصاب مغزی
اعصاب مغزی ۱۲ جفت میباشند. اگرچه دو جفت اول را نمیتوان واقعاً جزئی از دستگاه اعصاب محیطی بهشمار آورد. تا هفته چهارم تکامل جنینی هستههای همه ۱۲ عصب مغزی تشکیل شدهاند. همه اعصاب مغزی بجز عصب بویایی و عصب بینایی از ساقه مغز منشا میگیرند. لیست اعصاب مغزی به شرح زیر میباشد:
- زوج ۱: عصب بویایی (olfactory nerve)
- زوج ۲ : عصب بینایی (optical nerve)
- زوج ۳ : عصب حرکتی چشم (اوکولوموتور) (oculomotor nerve)
- زوج ۴ : عصب قرقرهای (تروکلئار) (trochlear nerve)
- زوج ۵ : عصب سهقلو (تریجمینال) (trigeminal nerve)
- زوج ۶ : عصب ششم مغزی (ابدوسنس) (abducens nerve)
- زوج ۷ : عصب چهرهای یا عصب فاشیال (facial nerve)
- زوج ۸ : عصب دهلیزی-حلزونی (وستیبولوکوکلئار) (vestibulocochlear nerve)
- زوج ۹ : عصب زبانی-حلقی (گلوسوفارینژیال) (glossopharyngeal nerve)
- زوج ۱۰ : عصب واگ (عصب جمجمهای دهم) (vagus nerve)
- زوج ۱۱ :عصب فرعی (اکسسوری) (accessory nerve)
- زوج ۱۲ : عصب زیرزبانی (هیپوگلوسال) (hypoglossal nerve)
اعصاب نخاعی
در انسان ها ۳۱ جفت عصب نخاعی وجود دارد که از راه سوراخهای بین مهره ای ستون مهرهها بیرون میآیند. اعصاب نخاعی به صورت زیر تقسیم بندی و نامگذاری میکنند:
- اعصاب گردنی (cervical nerves): این اعصاب ۸ جفت هستند که از C۱ تا C۸ نامگذاری شدهاند. اولین زوج از بین استخوان پسسری (occipital bone) و مهره اطلس خارج میشود[۶].
- اعصاب سینهای یا توراسیک (thoracic nerves): این اعصاب ۱۲ جفت میباشند که از T۱ تا T۱۲ نامگذاری شدهاند.
- اعصاب کمری (lumbar nerves): این اعصاب ۵ جفت میباشند که از L۱ شماره تا L۵ نامگذاری شدهاند.
- اعصاب خاجی (sacral nerves): این اعصاب ۵ جفت میباشند که از S۱ تا S۵ نامگذاری میشوند.
- یک جفت عصب دنبالچهای (کوکسیژیال، Coccygeal) که از بین مهره اول و دوم دنبالچهای خارج میشود.
هر عصب نخاعی توسط دو ریشه به نخاع متصل است: ریشه قدامی (Anterior root) و ریشه خلفی (Posterior root). ریشههای قدامی و خلفی پس از خروج از طناب نخاعی به طرف سوراخ بین مهرهای خود رفته و به هم متصل میشوند و تشکیل عصب نخاعی را میدهند. ریشه قدامی حاوی الیاف وابران (Efferent fibers) است در حالی که ریشه خلفی حاوی الیاف آوران (Afferent fibers) است. ازآنجا که الیاف آوران، اطلاعاتی از قبیل حس لامسه، درد، حرارت و ارتعاش را منتقل میکنند به آنها الیاف حسی (Sensory fibers) هم میگویند. عصب نخاعی پس از گذشتن از سوراخ بین مهرهای به دو شاخه تقسیم میشود: شاخه بزرگ قدامی (Anterior ramus) و شاخه بزرگ خلفی (Posterior ramus). این شاخهها هم الیاف حسی و هم الیاف حرکتی دارند. شاخههای قدامی در ابتدای اندامها به هم میپیوندند و شبکههای عصبی (Nerve Plexusus) را ایجاد میکنند. شبکه گردنی (Cervical plexus) و شبکه بازویی (Brachial plexus) در ابتدای اندام فوقانی شکل میگیرند و شبکه کمری (Lumbar Plexus) و شبکه خاجی یا شبکه ساکرال (Sacral Plexus) در ابتدای اندام تحتانی ایجاد میشوند.
واسط مغز و رایانه
واسط مغز و رایانه از مجموعهای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل میشود که فعالیت مغزی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنالهای ارتباطی یا کنترلی تبدیل میکند. در این سامانه ابتدا باید امواج مغزی را با استفاده از دستگاههای ثبت امواج مغزی ثبت کرد که معمولاً به دلیل دقت زمانی بالا و ارزان بودن و همچنین استفاده آسان، از EEG برای ثبت امواج مغزی استفاده میشود. الکترودهای EEG در سطح پوست سر قرار میگیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت نورونها را اندازه گیری میکنند. در مرحله بعد این امواج بررسی شده و ویژگیهای موردنظر استخراج میشود و از روی این ویژگیها میتوان حدس زد که کاربر چه فعالیتی را در نظر دارد. در این مقاله این سیستم و پیشرفتهایی که تا کنون روی این سامانه صورت گرفتهاست، بررسی شدهاست. از آن جایی که هنوز سرعت و دقت این سیستمها به حد قابل قبولی نرسیدهاست، هنوز به صورت تجاری وارد بازار نشدهاست اما از آن جایی که این سیستمها روش نوینی برای برقراری ارتباط، خصوصاً برای افرادی که از نظر جسمی معلول هستند را فراهم میکنند، گروههای پژوهشی زیادی روی این سامانهها کار میکنند و امید است که در آیندهای نزدیک بتوان به سامانههایی با سرعت و دقت بالا دست پیدا کرد. کلمات کلیدی: واسط مغز و رایانه، EEG ، استاندارد 10-20 ، آرتیفکت، امواج ریتمیک، پتانسیل برانگیخته، نورون، بردار ویژگی
مقدمه
بیماریهای مختلفی میتوانند باعث صدمه دیدن سیستم عصبی عضلانی که مغز از طریق آن قادر به ایجاد ارتباط و اعمال کنترل به محیط خارج است شوند. بیماریهایی از قبیل ALS1، Brain Stem Stroke، آسیبهای مغزی-نخاعی، Cerebral Palsy، Muscular Dystrophies و Multiple Sclerosis مثالهایی از انواع بیماریهایی هستند که مسیر عصبی کنترل عضلات در آنها آسیب میبیند. در شرایط حاد بیماری، فرد مبتلا ممکن است تمام حرکات ارادی خود را از دست بدهد. حتا ممکن است حرکات چشم و تنفس که اعمالی غیر ارادی هستند نیز امکان پذیر نباشد. به این گونه بیماران، اصطلاحاً Locked – in گفته میشود. در غیاب روشهایی برای جبران فیزیولوژیکی آسیبهای وارده در اثر این بیماریها، سه انتخاب برای بازآفرینی عملکرد طبیعی بیماران وجود دارد [1]: 1. افزایش قابلیتهای مسیرهای عصبی-عضلانی باقیمانده. 2. بازسازی عملکرد از دست رفته توسط عبوراز مناطق آسیب دیده در مسیر عصبی. 3.فراهم آوردن مسیر ارتباطی جدید و غیرماهیچهای برای مغز است که از طریق آن بتواند مستقیماً پیامها و دستورالعملهای کنترلی را به محیط خارج ارسال نماید: یک رابط مغز و رایانه. خصوصیتی که این رابطهای مغز و رایانه را از سایر وسایل ارتباطی مجزا میکند، عدم نیاز به حرکتی آشکار در بدن به منظور انتقال اطلاعات میباشد. بدین ترتیب در حالتی ایدهآل شخص باید بتواند بی حرکت در جای خود نشسته و با تمرکز بر برخی افکار و تولید امواج مغزی مناسب منظور خود را بیان کند. با توجه به عدم امکان تحرک در برخی بیماران، اهمیت این موضوع بیشتر نمایان میشود. مطالعات متعددی نشان دهنده تأثیر فعالیتها و تصورات ذهنی گوناگون بر امواج مغزی بودهاند. به عنوان مثال، توان باند آلفا در هنگام عملیات لفظی در نیمکره چپ نسبت به نیمکره راست کمتر میشود. این در حالی است که در مورد عمل تصور دوران سه بعدی این موضوع برعکس است. به این پدیده اصطلاحاً عدم تقارن باند آلفا میگویند. به عنوان مثالی دیگر، تصمیم به حرکت میتواند یک ریتم خاص به نام ریتم میو را در سیگنال مغزی کاهش داده یا بلوکه نماید. نتیجه پژوهشی که توسط دویل بر عملیات حرکتی و غیر حرکتی انجام گرفت نشان میدهد که عملیاتی که منجر به تحریک قسمتهای حرکتی مغز شوند، باعث ایجاد عدم تقارن بیشتری بین دو نیمکره میگردند. در یک تعبیر کلی این پژوهشها نشان دهنده وجود تفاوتهای قابل اندازهگیری در سیگنال مغزی که مرتبط با تصورات یا عملیات ذهنی متفاوت هستند، میباشد. به عنوان مثال، چنان چه ما بتوانیم با دقت بالا تفاوت بین یک عمل ذهنی که تحریک کننده نیمکره راست و عمل دیگری که تحریک کننده نیمکره چپ است را از یکدیگر و هر دو را از حالت استراحت تشخیص دهیم میتوانیم یک الفبای سه حرفی داشته باشیم. بنابراین شخص میتواند با ترجمه تفاوتهای سیگنال EEG خود در قالب حروف، 27 کلمه گوناگون بسازد. با در نظر گرفتن فرضهای زیر، شخص میتواند دستورات متعددی صادر نماید: -حرف A نشانگر یک فعالیت ذهنی تحریک کننده نیمکره راست -حرف B نشانگر یک فعالیت ذهنی تحریک کننده نیمکره چپ -حرف C نشان دهنده حالت استراحت ( فعالیت پایه) با ترکیب نمودن این فعالیتها فرد میتوان دستورات سادهای تولید نمود: 1.BC: برو 2.ABC : بایست 3.BAC : به سمت راست 90 درجه برگرد و هزاران دستورالعمل دیگر. چنین سیستمی میتواند به فرد معلول کمک نماید که با محیط اطراف خویش ارتباط برقرار نماید. به عنوان مثال، فرد به راحتی میتواند صندلی چرخدار خود را کنترل نماید. بنابراین تفکیک درست و نسبتاً سریع عملیات ذهنی میتواند پایهای برای توسعه و طراحی سیستمهای BCI باشد. در این گزارش ابتدا با تاکید بر روش اندازه گیری EEG به شرح روشهای مختلف اندازه گیری فعالیتهای مغزی میپردازیم، همچنین در مورد ساختار مغز و امواج مغزی نیز توضیح داده شدهاست. در بخش دوم سیستم BCI ، اجزای مختلف آن و عملکرد هر جز و در نهایت نمونههایی از سیستمهای پیاده سازی شده، آورده شدهاست.
معرفی
EEG مخفف Electroencephalography است که با استفاده از یک سری الکترودها که در سطح مغز قرار میگیرند، فعالیتهای الکتریکی مغز را اندازه گیری میکند. الکترودها به منظور جمع آوری ولتاژ در مکانهای خاصی از مغز قرار میگیرند. قبل از اینکه الکترودها در سطح پوست قرار گیرند یک ژل هادی به منظور کاهش مقاومت روی پوست سر مالیده میشود، خروجی این الکترودها به ورودی یک تقویت کننده وصل میشود سپس از فیلترهای بالا گذر و پایین گذر عبور داده میشود. تغییرات در جریان اکسیژن خون با میزان فعالیت های عصبی ارتباط دارد. زمانی که سلولهای عصبی فعال هستند اکسیژنی که توسط هموگلوبین خون حمل میشود را مصرف میکنند. پاسخ محلی به این کاهش اکسیژن افزایش جریان خون در ناحیههایی است که فعالیت های عصبی زیاد است. از طرف دیگر در اثر فعالیت های عصبی و انتقال پیامهای عصبی جریان الکتریکی تولید میشود که این جریان الکتریکی طبق قانون مارکوف یک میدان مغناطیسی را تولید میکند. با توجه به این مطالب ما روشهای مختلفی برای اندازه گیری فعالیت های مغزی داریم: 1. Positron Emission Tomography (PET) این روش جریان خون مغز را اندازه گیری میکند. 2. Functional Magnetic Resonance Imaging (FMRI) این روش سطح اکسیژن خون را اندازه گیری میکند. 3. Magneto encephalography (MEG) این روش سیگنال های مغناطیسی را اندازه گیری میکند. 4. Electro Encephalography (EEG) این روش سیگنال های الکتریکی تولید شده توسط مغز را اندازه گیری میکند.
با وجود این که دقت مکانی EEG پایین است ولی دقت زمانی آن بالاست و کمتر از چند میلی ثانیه میباشد. همچنین این روش به نسبت ارزان است و استفاده از آن نیز آسان میباشد. به دلیل این خصوصیات اکثر BCIها از این روش برای ثبت فعالیت های مغز استفاده میکنند.
مغز انسان
مغز مرکز دستگاه عصبی بدن است. مغز، نخاع و اعصاب محیطی از یاختههای عصبی میکروسکوپی به نام نورون ساخته شدهاند، حدود ده هزار میلیون نورون فقط در قشر، حدود صدهزار میلیون نورون در سراسر مغز و چندین میلیون نورون هم در نخاع و اعصاب محیطی وجود دارند. هر نورون مطابق شکل2 از سه قسمت عمده تشکیل شدهاست. نخستین قسمت تنهاست که به تنه سایر انواع یاخته بی شباهت نیست. نورون حاوی هسته و سایر ساختارهایی است که معمولا در یاختهها یافت میشوند. دومین قسمت نورون، از زواید کوتاه و چند شاخهای تشکیل میشود که از تنه یاخته بیرون زدهاند و داندریتها خوانده میشوند. سومین قسمت، زایده دراز و باریکی است که آکسون نام دارد. آکسون به مثابهٔ سیم پیچی هر نورون است. آکسون پیامهای الکتریکی عصب را در طول مسیر خود انتقال میدهد و نورون را به نورون دیگر یا به یکی از ماهیچهها متصل مینماید.
شبکه نورونی
در دستگاه اعصاب میلیاردها نورون وجود دارند که پیام های عصبی را به صورت امواج الکتریکی ملایم منتقل میسازند. اما پیامهای عصبی تنها از یک نورون به نورون دیگر منتقل نمیشوند. داندریتها و انتهای آکسونها به چند شاخه منشعب میشوند و این شاخهها با چندین نورون ارتباط پیدا میکنند، به طوری که هر نورون با چندین نورون مجاور مرتبط میگردد. تعداد ارتباطات نورونی در سراسر دستگاه اعصاب فوقالعاده زیاد است. مسیرهای متفاوتی که هر پیام عصبی میتواند انتخاب کند تقریباً پایان ناپذیرند. اندیشهها، احساسات و یادهای ما به عنوان الگوهای ویژه پیام های عصبی باقی میمانند و دائماً از طریق چند مسیر معین به مغز انتقال داده میشوند. هر پیام از میان میلیاردها آکسون و داندریت فقط یک مسیر خاص را انتخاب میکند.
یونها و سیناپسها
انتقال یافتن هر پیام عصبی در مسیر هر نورون ممکن است شبیه به عبور یکنواخت جریان الکتریسیته از سیم به نظر برسد، اما در حقیقت چنین نیست. آکسون لولهای است باریک و پر از مواد شیمیایی محلول در آب. حرکت سریع امواج پیام عصبی وابسته به حرکت یونها است. یونها ذرات ریزی هستند که بار الکتریکی دارند. دو نوع اصلی یون در انتقال پیام عصبی نقش دارند که عبارتند از یون پتاسیم و یون سدیم، که دو مادهٔ فلزی معمولی هستند. به طور طبیعی در درون آکسون پتاسیم زیادتر و در درون آبگون دور آن سدیم بیشتر وجود دارد. بار الکتریکی درون آکسون اندکی منفی است، اما سطح خارجی آن بار الکتریکی مثبت دارد. در لحظهٔ ورود پیام عصبی، غشای آکسون تغییر پیدا میکند تا یونها بتوانند از آن نشت کنند، یعنی هنگامی که یونهای پتاسیم از آکسون خارج میشوند، یونهای سدیم وارد آن میگردند. این رویداد توازن الکتریکی را در آن نقطه ناگهان تغییر میدهد، یعنی بار الکتریکی درون غشای سطحی از منفی به مثبت تبدیل میشود. در حالی که پیام عصبی پیش میرود ، یونها به جای نخست باز میگردند و توازن الکتریکی ابقا میگردد. این حالت تبدیل یونی مثل یک موج در سراسر آکسون پیش میرود و حرکت پیام عصبی را باز مینماید. تمام این فرایندها در یک هزارم ثانیه به وقوع میپیوندد. نورونها در عمل یکدیگر را لمس نمیکنند. میان هر نورون فضای کوچکی وجود دارد که سیناپس خوانده میشود. در این نقطه پیام عصبی به کمک مواد شیمیایی خاصی به نام انتقال دهندههای عصبی از یک سوی سیناپس به سوی دیگر آن میجهد.
ساختار مغز
مغز انسان را میتوان از نظر سازمانی به سه بخش کلی تقسیم کرد: ساقهٔ مغز، مخچه و غشای مغز. ساقهٔ مغز عملاً امتداد و جزئی از نخاع و بخشی از مغز است که پیش از همه تکامل مییابد و ساختاری به نام بصل النخاع را دربردارد که سامانههای تنظیم کننده لازم برای ادامهٔ حیات را شامل میشود، مثل سامانههای تنفس، ضربان قلب و تنظیم دمای بدن. در بالای ساقهٔ مغز، تودهٔ ویژهای به نام مخچه وجود دارد. این پردازشگر سیگنال جالب توجه، در حفظ تعادل و انجام حرکات آرام و هماهنگ نقش حیاتی دارد. تالاموس به عنوان یک نقطه انتخاب اولیه برای تمام اطلاعات حسی (بینایی، شنوایی و حسهای پیکری) که در نهایت به بخش پیچیدهتر بیرونی مغز یعنی قشر میرسند، عمل میکند. بخشی از مغز که سطح آن از همه بالاتر و حجیمتر است، مخ نامیده میشود و از دو نیمکره مغزی راست و چپ تشکیل میشود. غشر مغزی لایهٔ سطحی هر نیمکره را تشکیل میدهد. گرچه عملکرد ساختار پیچیده غشای مغز به طور کامل درک نشدهاست ولی میتوان آن را به لوبهای زیر از نظر کاری که انجام میدهند تقسیم کرد: 1)لوب پسسری یا قشر بینایی اولیه در قسمت عقب سر. 2)لوب گیجگاهی که قسمت پایینی میانی هر یک از نیمکرهها را اشغال میکند و قشر شنوایی اولیه را دربردارد. 3)لوب آهیانهای که از عقب به لوب پسسری و از جلو به یک فرورفتگی مهم که از چپ به راست امتداد دارد و شیار مرکزی نامیده میشود، محدود میشود. لوب آهیانهای از نواحی تقریباً مشخصی تشکیل یافتهاست. یکی از این ناحیهها مسئول دریافت سیگنالهای حسی از هر ناحیهای از بدن است (برآمدگی مرکزی پشتی که در پشت شیار مرکزی قرار دارد و به عنوان کرتکس یا غشر حس پیکری نیز شناخته میشود) و ناحیهای در قسمت جلوتر که به ادراکات حسی تشخیصی که مرتبه بالاتری دارند (مثل توانایی شناخت اشیای مختلف از روی شکل وقتی در کف دست انسان قرار داده میشوند) و خودآگاهی (آگاهی فرد از بدن خود و موقعیتش اندامش در فضا) مربوط میشود. 4)لوب پیشانی، قسمتی از نیمکرههای راست و چپ که در جلوی شیار مرکزی قرار دارند. درست در جلوی شیار مرکزی، قشر حرکتی اولیه قرار دارد که کنترل عصبی خامی روی نورونهای حرکتی ایجاد میکند. همان طور که مشاهده میشود هر سانتیمتر مربع از مغز، از نظر عملکردی مشخص و متمایز نشدهاست. بخشهای باقیمانده را معمولاً نواحی وابسته مینامند. بعضی اظهار داشتهاند که این نواحی در گردآوری اطلاعات از دیگر بخشها برای اصلاح فرایندهای عصبی نقش دارد. در شکل 3 این نواحی را روی مغز نشان داده شدهاست.
الکترود
یک الکترود یک صفحهٔ کوچک رسانا است که فعالیت های الکتریکی رسانهای که با آن در تماس است را دریافت میکند. در مورد EEG ، الکترودها یک واسط بین پوست و وسایل ثبت و ذخیره سازی هستند که عمل تبدیل جریان یونی در سطح پوست به جریان الکتریکی را انجام میدهند. مادهٔ هادی که به صورت ژل است و در سطح پوست سر قرار میگیرد، مقاومت تماسی بین الکترود و جمجمه را کم میکند. بسته به کاربرد تعداد الکترودهای مورد استفاده در EEG متفاوت است.
استاندارد 10-20
برای داشتن امکان مقایسه نتایج ثبت سیگنال مغزی و امکان تعمیم نتایج در سال 1949م. یک شیوه الکترود گذاری به عنوان استاندارد بین المللی شناخته شد. این چیدمان جهانی الکترودها که به عنوان استاندارد 10-20 شناخته شد، امکان پوشاندن تقریباً تمام نواحی سر را توسط الکترودها فراهم میکند (شکل 8) . انتخاب محل الکترودها بر اساس نقاط ویژه استخوان جمجمه انجام پذیرفته است. الکترودها در نواحی تلاقی سطوح استخوان جمجمه قرار میگیرند که سایر الکترودهای میانی بر اساس 10 و 20 درصد کل فاصله چیده خواهند شد. شکل 4 نواحی مختلف قرار گیری الکترودها را نشان میدهد. نام هر منطقه بر اساس لبی که در آن قرار گرفتهاست و قرار داشتن در نیمکره راست یا چپ مشخص میشود به این صورت که در نیمکره چپ با اعداد فرد و در نیمکره راست با اعداد زوج نشان داده میشود.
امواج مغز
سیگنال های EEG که میتوان به عنوان ورودی سیستم BCI استفاده کرد را میتوان به دستههای زیر تقسیم کرد: 1)فعالیتهای مغزی ریتمیک. 2)پتانسیلهای برانگیخته. مغز متشکل از میلیونها سلولی است که هر کدام عمل متفاوتی را انجام میدهند. از اینرو در هر لحظه، و در هر جای مغز ترکیب مختلفی ازانواع فرکانسها را میتوان داشت. بسته به سطح هوشیاری، امواج مغزی افراد طبیعی، فعالیت ریتمیک متفاوتی از خود نشان میدهد. برای مثال، مراحل مختلف خواب را میتوان در EEG مشاهده کرد. همچنین به هنگام بیداری نیز امواج ریتمیک متفاوتی بهوجود میآید. این ریتمها با افکار و اعمال مختلف تحت تأثیر قرار میگیرند. برای مثال، طرح ریزی یک حرکت میتواند یک ریتم خاص را بلوکه و یا تضعیف کند. این واقعیت که افکار محض میتوانند روی ریتمهای مغزی اثر بگذارند، میتواند به عنوان اساس سیستمهای رابط مغز و رایانه بهکار رود. همان طور که در جدول 1 نشان داده شده، این امواج را میتوان به چندین رنج فرکانسی تقسیم کرد. 1.باندهای فرکانسی امواج ریتمیک فرکانس باند <3.5 دلتا 4-7.5 تتا 8-13 آلفا >13 بتا
پتانسیلهای برانگیخته در حقیقت تغییراتی در سیگنال EEG هستند که در پاسخ به یک "اتفاق" مغزی یا محرک خاص روی میدهند. این تغییرات آنقدر کوچکند که برای آشکارسازی آن باید نمونههای بسیاری از EEG در تکرارهای زیاد میانگین گیری شوند. این میانگین گیری پرش های تصادفی سیگنال EEG که وابسته به محرک نیستند را از بین میبرد. بنابراین بررسی سیگنالهای ناشی از تحریک مغز همان تجزیه و تحلیل حوزه زمان سیگنال EEG میباشد. به عنوان نمونهای از این پتانسیلها میتوان به پتانسیل P300 اشاره کرد. که با تأخیری حدود 300 میلی ثانیه و با پیک مثبت روی جمجمه قابل ثبت خواهد بود.
واسط مغز و رایانه
در طی دو دههٔ گذشته تعداد گروههایی که بر روی BCI کار میکنند افزایش یافتهاست. کشف یافتههای جدید در مورد عملکرد مغز، ارزان شدن و در دسترس بودن تجهیزات رایانهای و نیاز افراد معلول به این سیستم ارتباطی باعث بیشتر شدن انگیزه این گروههای تحقیقاتی شدهاست. امروزه، سیستمهای BCI یک روش ارتباطی بدون دخالت ماهیچه را در اختیار بشر قرار میدهند تا بتوانند مستقیماً با محیط پیرامون خود ارتباط برقرار کنند. یک سیستم BCI از مجموعهای از سنسورها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل میشود که فعالیت مغزی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنالهای ارتباطی یا کنترلی تبدیل میکند. این فنآوری یک واسط مستقیم را بین مغز و رایانه فراهم میکند. در اولین همایش بین المللی که در ژون 1999 برگزار شد یک تعریف فرمال برای BCI به صورت زیر ارائه شد: (( یک واسط مغز و رایانه یک سامانه ارتباطی است که وابسته به مسیرهای خروجی نرمال سامانه عصبی جانبی و ماهیچهها نیست. )) این سامانه از اجزای زیر تشکیل میشود: 1)مرحله جمع آوری دادهها شامل ثبت اطلاعات خام EEG است که از الکترودها در مکان های مشخصی از مغز گرفته میشود و ورودی سیستم BCI را تشکیل میدهد. انتخابهایی نظیر تعداد، مکان و تراکم الکترودها، کانالهای ورودی را مشخص میکند. مرحله پیش پردازش از فاز جمع آوری شامل تقویت کردن، فیلتر کردن و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است. 2)مرحله بعدی، یک مرحلهٔ بهینه سازی اطلاعات است که به صورت اختیاری صورت میگیرد و شامل بهبود نسبت سیگنال به نویز، با حذف آرتیفکت و کاهش افزونگی اطلاعاتی است که از کانالهای EEG دریافت میشود. 3)استخراج ویژگی مهمترین مرحله در هر سیستم BCI است. این مرحله شامل استخراج ویژگیهای وابسته به دستور و قابل تمییز از سیگنالهای EEG حاصل از مرحلهٔ پیش پردازش است که برای این استخراج ویژگی از الگوریتمهای پردازش سیگنالهای دیجیتال استفاده میشود. 4)مرحله کلاس بندی یا ترجمهٔ ویژگی شامل مشخص کردن الگوهای ویژگی برای آسان کردن دسته بندی دستورات کاربر است. میتوان از ساده ترین روش که گذاشتن یک حد آستانه یا استفاده از یک مدل خطی است تا روش های پیچیده غیر خطی مبتنی بر شبکههای عصبی استفاده کرد.
5)خروجی مرحلهٔ کلاس بندی ورودی کنترلی وسیلهاست. فرایند کنترل وسیله ، خروجی کلاس بندی را به یک عمل از وسیله تبدیل میکند. خروجی مرحلهٔ کلاس بندی ممکن است این باشد که وسیله عملی را انجام ندهد.
نمونهای از سامانه پیاده سازی شده
همان طور که در شکل 6 نشان داده شدهاست این سامانه به این صورت عمل میکند که 4 صفحهٔ شطرنجی که با فرکانسهای مختلف در حال چشمک زدن هستند به همراه شیای که کاربر میخواهد آن را کنترل کند، حرکت میکنند. زمانی که کاربر توجه حود را به یک تصویر خاص متمرکز میکند یا به آن خیره میشود، یک مولفهٔ تناوبی با همان فرکانسی که تصویر در حال چشمک زدن است، در سیگنال EEG ، خصوصا در ناحیهٔ بینایی از مغز مشاهده میشود. این تصاویر چشمک زن میتوانند برای کنترل جهت ماشین استفاده شود. زمانی که کاربر به صفحهٔ بالای ماشین خیره میشود، ماشین به سمت بالا حرکت میکند و بدین ترتیب میتواند جهت حرکت ماشین را کنترل کند.
واسط مغز و انسان یک فنآوری جدید است که پژوهشگران زیادی بر روی این تکنولوژی کار میکنند و هنوز به دلیل دقت پایین و همچنین سرعت کم به صورت تجاری وارد بازار نشدهاست اما میتواند تکنولوژی عالی برای افرادی باشد که دچار معلولیتهای جسمی هستند و حتا میتواند به افرادی که کاملاً معلول هستند و هیچ حرکتی جز حرکات چشم نمیتوانند انجام دهند اما از نظر ذهنی سالم هستند، کمک کند و امکان برقراری ارتباط با محیط اطراف را برای آنها فراهم نماید چرا که این تکنولوژی وابسته به ماهیچههای بدن نیست. پژوهشگران امید دارند بتوانند این تکنولوژی را بهبود داده و زمانی برسد که نه تنها افراد معلول بلکه افراد عادی نیز از این تکنولوژی به منظور برقراری ارتباط استفاده نمایند