رابط مغز و کامپیوتر چیست؟

مغز مصنوعی چیست؟

مغز مصنوعی یک نرم‌افزار یا سخت‌افزار همراه با توانایی‌های شناختی شبیه به مغز حیوان یا انسان است. تحقیقات در زمینه مغز مصنوعی و شبیه‌سازی مغز با هدف دستیابی به پاسخی برای مفاهیم زیر انجام می‌شود:

شناخت علوم اعصاب، تلاش متخصصین اعصاب برای فهمیدن طریقهٔ کار کردن مغز انسان است.

طبق تجربه فلسفه هوش مصنوعی، ایجاد یک ماشین که توانایی‌های انسان را داشته باشد، وجود دارد.

یک پروژه بلند مدت برای ایجاد ماشین‌های نمایش رفتار مشابه با حیوانات با سیستم عصبی پیچیده مرکزی مانند پستانداران و به ویژه انسان است. هدف نهایی ایجاد یک دستگاه نشانگر رفتار یا همانند هوش انسان هوش عمومی مصنوعی قوی نامیده می‌شود.

محققان دانشگاه استون بیرمنگام انگلستان با استفاده از سلول‌های بیولوژیک و ایجاد خوشه‌های عصبی به درمان‌های جدیدی نورون حرکتی آلزایمر، و بیماری پارکینسونراه یافتند.

اتاق چینی جان سرل، انتقاد هیبرت دریفوس از AI یا بحث راجر پنروه در ذهن جدید امپراتور است. این منتقدان ادعا می‌کنند ماشین‌ها نمی‌توانند آگاهی‌ها و دانش‌های انسان را شبیه‌سازی کنند. یک پاسخ به استدلال‌های آنها این است که فرایندهای بیولوژیکی داخل مغز می‌تواند به هر درجه دقت شبیه‌سازی شود. این پاسخ در اوایل سال ۱۹۵۰ توسط آلن تورینگ در مقاله کلاسیک «ماشین محاسبات و اطلاعات» ساخته شده‌است.

محققان مورد سوم را به‌طور کلی به عنوان هوش عمومی مصنوعی می‌شناسند. با این حال، ری کورزوییل اصطلاح "قوی AI" را ترجیح می‌دهد. در کتاب خود The Singularity is Near، او با استفاده از کامپیوترهای معمولی به عنوان وسیله برای پیاده‌سازی مغزهای مصنوعی (هوش مصنوعی) بر روی شبیه‌سازی کل مغز تمرکز کرده‌است و ادعا می‌کند که اگر به این ترتیب که قدرت کامپیوتر با روند رشد انبساطی ادامه میابد، شبیه‌سازی مغز انسان روی کامپیوتر تا ۲۰۲۵ می‌تواند انجام شود. هنری مارکرام، مدیر پروژه "مغز آبی " (که در حال تلاش برای شبیه‌سازی مغز است)، ادعای مشابهی در سال ۲۰۲۰ در کنفرانس TED آکسفورد در سال ۲۰۰۹ مطرح کرد.

برآورد این‌که چقدر قدرت پردازش برای تقلید از یک مغز انسان در سطوح مختلف (از ری کورزویل و آندرس ساندبرگ و نیک بوسترم)، همراه با سریع‌ترین ابر رایانه ای از TOP500، توسط نقشه‌های سالیانه مورد نیاز است. روش‌های دیگری علاوه بر رویکرد رایج تقلید مستقیم مغز انسان با استفاده از شبکه‌های عصبی مصنوعی بر یک موتور محاسباتی با کارایی بالا وجود دارد. اجرای یک جایگزین مصنوعی مغز می‌تواند بر اساس اصول هماهنگی / عدم انسجام فاز غیر خطی فناوری نانو هولوگرافی (HNeT) باشد. این قیاس با پردازش‌های کوانتومی از طریق الگوریتم سیناپسی هسته ای که دارای شباهت زیادی با معادله موج مکانیکی کوانتومی دارد، ساخته شده‌است. EvBrain یک نرم‌افزار تکاملی است که توانایی این را دارد که بلافاصله شبکه‌های عصبی مغزی را مثل شبکه توسعه دهد. آی بی ام کمک هزینه ۴٬۹ میلیون دلاری از پنتاگون برای تحقیق در زمینه ایجاد رایانه‌های هوشمند در نوامبر ۲۰۰۸ دریافت کرد پروژه Brain Blue با کمک IBM در لوزان انجام شد. این پروژه بر این فرض استوار است که ایجاد مصنوعی نورون‌ها در رایانه با قرار دادن سی میلیون سیناپس در موقعیت سه بعدی امکان‌پذیر است. برخی از طرفداران هوش مصنوعی قوی این باورند که کامپیوترهای مربوط به مغز آبی و روح جالب ممکن است حدود سال ۲۰۱۵ از ظرفیت فکری انسان تجاوز کنند ما احتمالاً حدود سال ۲۰۵۰ می‌توانیم مغز انسان را دانلود کنیم.

در حالی که مغز آبی می‌تواند ارتباطات عصبی پیچیده را در مقیاس بزرگ نشان دهد ولی ارتباط بین فعالیت مغز و رفتارهای مغز را نشان نمی‌دهد و این خواسته را برآورده نمی‌کند. در سال ۲۰۱۲، پروژه Spaun (شبکه یکپارچه معماری اشاره گر معنایی) تلاش کرد تا قسمت‌های مختلف مغز انسان را از طریق نمایندگی‌های گسترده‌ای از ارتباطات عصبی مدل‌سازی نماید که علاوه بر نقشه‌برداری، رفتارهای پیچیده‌ای نیز ایجاد می‌کند.

طراحی Spaun عناصر آناتومی مغز انسان را بازسازی کرد. این مدل شامل تقریباً ۲٫۵ میلیون نورون می‌باشد که این نورون‌ها ویژگی‌هایی از جمله قوزک‌های بصری و حرکتی، اتصالات GABAergic و dopaminergic، منطقه قاعده شکمی (VTA), substantia nigra دارند. این طراحی به گونه ای است که چندین تابع می‌توانند با استفاده از دیده‌ها و حروف دست نوشته شده و کارهایی که به کمک بازوهای مکانیکی انجام می‌شوند به هشت کار متفاوت پاسخ بدهند. توابع Spaun شامل کپی نقاشی، شناسایی تصاویر و شمارش است.

دلایل خوبی برای باور داشتن وجود دارد که، صرف نظر از استراتژی پیاده‌سازی، پیش‌بینی‌های انجام مغز مصنوعی در آینده نزدیک خوشبین هستند.  به ویژه مغز (از جمله مغز انسان) و شناخت در حال حاضر به خوبی درک نمی‌شود، و مقیاس محاسبات مورد نیاز ناشناخته است. یکی دیگر از محدودیت‌های نزدیک مدت این است که تمام رویکردهای فعلی برای شبیه‌سازی مغز نیاز به سفارش مصرف انرژی بزرگتری نسبت به مغز انسان دارد. مغز انسان حدود ۲۰ را مصرف می‌کند W از قدرت در حالی که ابر رایانه‌های فعلی ممکن است تا مقدار ۱ استفاده کنید MW یا سفارش ۱۰۰٬۰۰۰ بیشتر.

رابط مغز و کامپیوتر

در طرف دیگر این داستان رابط مغز و کامپیوتر قرار دارد که برخی شرکت‌ها به دستاوردهای مهمی در این زمینه نائل شده‌اند. اما واسط مغز و کامپیوتر چیست؟ 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 الکتروانسفالوگرافی برای ثبت امواج مغزی استفاده می‌شود. الکترودهای EEG در سطح پوست سر قرار می‌گیرند و میدان الکتریکی حاصل از فعالیت نورون‌ها را اندازه‌گیری 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 تاکنون 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.

این شاخه از علم با عناوین زیادی شناخته می‌شود که واسط مغز و رایانه (BCI or Brain Computer Interface)، رابط بین ذهن و دستگاه (Brain Machine Interface)، رابط نورونی مستقیم(Direct Neural Interface (DNI و رابط تلپاتی (Synthetic Telepathy Interface (STI تعدادی از این نامهاست و در جهت بهبود شناخت انسان از محیط پیرامونش و افزایش توانایی او در ارتباط با دستگاه‌ها مختلف فعالیت دارد. شروع تحقیقات روی BCI اولین بار در دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس (UCLA) تحت قراردادی که با سازمان پروژه‌های پیشرفته دفاعی دارپا بسته شد، آغاز شد و مقالاتی که در آن زمان داده شد؛اولین‌ها در این زمینه بودند. تحقیقات اولیه ابتدا بر روی پروتزهای نورونی بود که در جهت بهبود بینایی و شنوایی و حرکات ارادی کاربرد داشت. با توجه به ساختار مغز پیامهایی که به وسیله الکترودها از دنیای بیرون به مغز داده می‌شود همانند سایر پیام‌های داخلی بدن پاسخ داده می‌شود. 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 سختیدگی جانبی فروافتادگی عضلات، حمله به ساقه مغز، آسیب‌های مغزی-نخاعی، فلج مغزی، دش ماهیچگی و فلج چندگانه 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. حتی ممکن است حرکات چشم و تنفس که اعمالی غیرارادی هستند نیز امکان‌پذیر نباشد. به این‌گونه بیماران، اصطلاحاً نشانگان قفل‌شدگی گفته می‌شود.

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 درباره 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، چنانچه ما بتوانیم با دقت بالا تفاوت بین یک عمل ذهنی که تحریک‌کننده نیمکره راست و عمل دیگری که تحریک‌کننده 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، ۲۷ کلمه گوناگون بسازد. با در نظر گرفتن فرض‌های زیر، شخص می‌تواند دستورها متعددی صادر نماید: -حرف A نشانگر یک فعالیت ذهنی تحریک‌کننده نیمکره راست -حرف B نشانگر یک فعالیت ذهنی تحریک‌کننده نیمکره چپ -حرف C نشان دهنده حالت استراحت (فعالیت پایه) با ترکیب نمودن این فعالیت‌ها فرد می‌توان دستورها ساده‌ای مشابه دستورها زیر تولید نمود.

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 تأکید بر روش اندازه‌گیری EEG به شرح روش‌های مختلف اندازه‌گیری فعالیت‌های مغزی می‌پردازیم. همچنین درباره 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 پیاده‌سازی شده، آورده شده‌است. EEG مخفف Electroencephalography است که با استفاده از یک سری الکترودها که در سطح مغز قرار می‌گیرند، فعالیت‌های الکتریکی مغز را اندازه‌گیری می‌کند. الکترودها به منظور جمع‌آوری 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 تقویت‌کننده وصل می‌شود سپس از فیلترهای بالا گذر و پایین گذر عبور داده می‌شود. تغییرات در جریان اکسیژن خون با میزان فعالیت‌های 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 فعالیت‌های عصبی زیاد است. از طرف دیگر در اثر فعالیت‌های عصبی و انتقال پیام‌های عصبی جریان الکتریکی تولید می‌شود که این جریان الکتریکی طبق قانون ماکسول یک میدان مغناطیسی را تولید می‌کند.

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 از سه قسمت عمده تشکیل شده‌است. نخستین قسمت تنه ‌است که به تنه سایر انواع یاخته بی شباهت نیست. نورون حاوی هسته و سایر ساختارهایی است که معمولاً 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 مثابه 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.

در دستگاه اعصاب میلیاردها نورون وجود دارند که پیام‌های 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، به‌طوری‌که 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 پیام‌های 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.

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 ماده فلزی معمولی هستند. به‌طور 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 لحظه 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 بازمی‌گردند 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.

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 بسامدها 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، طرح‌ریزی یک حرکت می‌تواند یک ریتم خاص را بلوکه 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. این امواج را می‌توان به چندین رنج فرکانسی تقسیم کرد.

واسط مغز و رایانه

در طی دو دهه گذشته تعداد گروه‌هایی که بر روی BCI کار می‌کنند افزایش یافته‌است. کشف یافته‌های جدید درباره عملکرد مغز، ارزان شدن و در دسترس بودن تجهیزات رایانه‌ای و نیاز افراد معلول به این سیستم ارتباطی باعث بیشتر شدن 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 حسگرها و اجزای پردازش سیگنال تشکیل می‌شود که فعالیت مغزی فرد را مستقیماً به یک سری سیگنال‌های ارتباطی یا کنترلی تبدیل می‌کند. این فناوری یک واسط مستقیم را بین مغز و رایانه فراهم می‌کند. در اولین همایش بین‌المللی که در ژون ۱۹۹۹ 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:

مرحله جمع‌آوری داده‌ها شامل ثبت اطلاعات خام EEG است که از الکترودها در مکان‌های 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 جمع‌آوری شامل تقویت کردن، فیلتر کردن و تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال است.

مرحله بعدی، یک مرحله بهینه‌سازی 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.

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 مرحله پیش پردازش است که برای این استخراج ویژگی از الگوریتم‌های پردازش سیگنال‌های دیجیتال استفاده می‌شود.

مرحله کلاس بندی یا ترجمه ویژگی شامل مشخص کردن الگوهای ویژگی برای آسان کردن دسته‌بندی دستورها کاربر است. می‌توان از ساده‌ترین روش که گذاشتن یک حد آستانه یا استفاده از یک مدل خطی است تا روش‌های پیچیده غیر خطی مبتنی بر شبکه‌های عصبی استفاده کرد.

خروجی مرحله کلاس بندی ورودی کنترلی وسیله‌است. فرایند کنترل وسیله، خروجی کلاس بندی را به یک عمل از وسیله تبدیل می‌کند. خروجی مرحله کلاس بندی ممکن است این باشد که وسیله عملی را انجام ندهد.