الهندسة العصبية: الربط بين الدماغ والعالم الخارجي

Neural engineering is a field where neuroscience meets engineering. It aims to create technologies that communicate or improve brain function. By combining biology, computer science, and electrical engineering, it allows us to connect with the brain. This helps in finding new ways to diagnose and treat brain issues.

تشهد قطاعات مثل أجهزة الدماغ وواجهات الدماغ والحاسوب نمواً سريعاً. ويأتي هذا النمو من زيادة عدد كبار السن والإجراءات الطبية الأحدث والأسهل. تقدم جامعة إلينوي أوربانا شامبين بجامعة إلينوي أوربانا شامبين حديثاً عبر الإنترنت للطلاب الجدد. وهو يغطي الهندسة الحيوية والهندسة العصبية وعلوم الحاسوب والهندسة الحيوية. يسلط الحديث الضوء على كيفية تغيير تكنولوجيا الدماغ والتفاعل في مجال الرعاية الصحية.

النقاط الرئيسية

• تدمج الهندسة العصبية بين علم الأعصاب والهندسة لتطوير تقنيات تعزيز الدماغ.
• تؤدي زيادة الطلب على الأجهزة العصبية والإجراءات طفيفة التوغل إلى زيادة نمو الصناعة.
• تركز جامعة إلينوي أوربانا شامبين على الهندسة العصبية في برامجها متعددة التخصصات.
• تعد واجهات الدماغ والحاسوب في طليعة التطورات في مجال الهندسة العصبية.
• تلعب الأنظمة العصبية دوراً هاماً في مستقبل التشخيص والعلاجات الطبية.

مقدمة في الهندسة العصبية

تعد الهندسة العصبية في طليعة الإنجازات الطبية الحيوية. فهي تجمع بين علم الأعصاب والهندسة. الهدف هو التفاعل مع الجهاز العصبي، وتحسين قدرات الإنسان وإصلاح المشاكل العصبية. معرفة أساسيات الهندسة العصبية هو المفتاح لفهم تأثيرها الكبير على الطب والتكنولوجيا.

إن دماغ الإنسان معقد، حيث يزن حوالي ثلاثة أرطال ويضم حوالي 86 مليار خلية عصبية، بالإضافة إلى العديد من الخلايا الدبقية. هذه الشبكة ضرورية للإدراك، وهو ما تسعى الهندسة العصبية إلى تعزيزه. إن مقدمة في الهندسة العصبية يوضح مبادئه الرائدة.

يحتوي دماغ الإنسان البالغ على حوالي 86 مليار خلية عصبية وتريليونات من المشابك العصبية، مما يجعله نقطة محورية للدراسة في الهندسة العصبية.

يبحث الخبراء في الهندسة العصبية أيضًا عن طرق لعلاج مشاكل الدماغ مثل السكتة الدماغية أو إصابة العمود الفقري أو الصرع. ويهدفون إلى تعزيز وظائف الدماغ مثل الذاكرة والانتباه. ولكن، يثير عملهم أسئلة خطيرة حول الخصوصية والأخلاقيات والآثار المترتبة على المجتمع.

أسس الهندسة العصبية

إن مجال الهندسة العصبية مجال رائع. فهو يربط بين جهازنا العصبي والأجهزة الاصطناعية. وهو يعتمد على الترميز العصبي, اللدونة التشابكيةو واجهات الدماغ والحاسوب (BCIs).

الترميز العصبي

الترميز العصبي عن كيفية استخدام الخلايا العصبية للنشاط الكهربائي لمعالجة المعلومات. وهو أمر حيوي لفهم كيفية تحدث الدماغ ومعالجته للإشارات. وقد اكتشف الباحثون كيف ترتبط الأنماط المختلفة بالأحاسيس أو الأفعال.

هذه المعرفة ضرورية لتطوير تقنية BCI. يساعد في جعل الأطراف الاصطناعية العصبية أكثر فعالية.

اللدونة المشبكية

اللدونة المشبكية يتيح للمشابك العصبية تغيير قوتها بناءً على النشاط. إنه مفتاح التعلم والذاكرة. ويتيح لداراتنا الدماغية أن تتحسن بمرور الوقت.

في الهندسة العصبية، يساعد هذا المفهوم في تحسين الشبكات الاصطناعية. كما أنه يجعل الأجهزة العصبية تعمل بشكل أفضل مع أجسامنا.

واجهات الدماغ والحاسوب (BCIs)

إن BCIs هي أدوات مذهلة تربط أدمغتنا مباشرة بالأجهزة. وهي تقوم بذلك عن طريق تحويل إشارات الدماغ إلى أوامر. وهذا يسمح للناس بالتحكم في أشياء مثل أجهزة الكمبيوتر أو الأطراف الصناعية بعقولهم.

هذه التقنية ستغير قواعد اللعبة بالنسبة للأشخاص الذين لا يستطيعون الحركة بسهولة. كما أنها تفتح طرقاً جديدة لتعزيز القدرات البشرية.

تمزج الهندسة العصبية بين المعرفة من العديد من المجالات مثل علم الأعصاب الحاسوبي والهندسة الكهربائية. إن خبرتنا المتنامية في الترميز العصبي, اللدونة التشابكيةو تقنية BCI تتيح لنا إنشاء جسور جديدة. تربط هذه الجسور أدمغتنا بعالم الأجهزة.

واجهات الدماغ والحاسوب: التواصل المباشر مع الدماغ

لقد غيرت واجهات الدماغ والحاسوب، أو BCIs، طريقة تفكيرنا في كيفية تحدث الدماغ مع الآلات. الآن، يمكن للأشخاص التحكم في أجهزة الكمبيوتر أو الأطراف الاصطناعية فقط باستخدام موجات الدماغ. تنقسم هذه الأدوات المذهلة إلى ثلاثة أنواع الواجهات بين الدماغ والحاسوب:: مؤشرات التواصل القاعدي القابل للتوغل غير الجراحي والجراحي والجراحي الباضع.

مؤشرات التواصل القاعدي القاعدي غير الباضع

تعمل مؤشرات BCI غير الباضعة بدون جراحة. فهي تستخدم مستشعرات خاصة من الخارج لالتقاط إشارات الدماغ. والتقنية الأكثر استخداماً هي تقنية تخطيط كهربية الدماغ EEG، التي تسجل الذبذبات الكهربائية للدماغ من فروة الرأس. حقق هانز بيرغر قفزة كبيرة في هذا المجال منذ 80 عاماً بدراسته لإيقاع ألفا.

ومنذ ذلك الحين، ظهرت اختراعات مثل جهاز التهجئة P300. وهي تتيح للمستخدمين اختيار الحروف على الشاشة بمجرد التفكير. يلعب تحليل إيقاع الدماغ وأنماط استجابته دوراً كبيراً في جعل هذه التقنيات تعمل.

مؤشرات قاع الباطنة الغازية

تتطلب مقياس تخطيط كهربية الدماغ الباضع وضع أقطاب كهربائية في الدماغ مباشرة. توفر هذه الطريقة إشارات أوضح ولكنها تنطوي على مخاطر. من خلال تدريب الدماغ، استخدم الباحثون هذه التقنية لإعطاء قدرات جديدة لمن يعانون من قيود جسدية خطيرة. منذ سبعينيات القرن الماضي، شهدنا تقدماً كبيراً، بما في ذلك استخدام إشارات الدماغ لتشغيل الأدوات.

مؤشرات قصور القلب القاعدي الباضع بالحد الأدنى من التدخل الجراحي

Minimally invasive BCIs are less harsh than fully invasive ones but offer better signals than noninvasive types. They use advanced techniques to place devices inside the brain with less risk. With these tools, people can do things like use a computer, send emails, or move robotic arms just by thinking.

تقنيات التحفيز العصبي

لقد غيرت تقنيات التحفيز العصبي طريقة علاجنا للمشاكل العصبية. فهي تجلب خيارات جديدة للعلاج والبحث. ومن بين هذه التقنيات، يبرز التحفيز العميق للدماغ (DBS) والموجات فوق الصوتية المركزة عبر الجمجمة (tFUS). يستخدمان طرقاً جديدة لضبط نشاط الدماغ وتخفيف أعراض الأمراض المختلفة.

التحفيز العميق للدماغ (DBS)

تقنية DBS عن طريق وضع أقطاب كهربائية في الدماغ. تساعد هذه الأقطاب في التحكم في نشاط الدماغ غير الطبيعي. وهي مفيدة لمرض باركنسون والرعاش مجهول السبب. يستهدف علاج DBS العلاج بدقة، مما يقلل من الأعراض السيئة ويحسن جودة الحياة.

تُعد الغرسات اللاسلكية والخالية من البطاريات التي تم طرحها في 27 أبريل 2023، تقدماً كبيراً. فهي توفر تنظيمًا مستمرًا لنشاط الدماغ دون الحاجة إلى إجراء عمليات جراحية منتظمة أو تغيير البطاريات. وهذا يحسن من راحة المريض وعمر الجهاز.

الموجات فوق الصوتية المركزة عبر الجمجمة (tFUS)

يُعد تقنية tFUS خطوة كبيرة في التحفيز العصبي غير الجراحي. وهو يستهدف مناطق الدماغ بالموجات فوق الصوتية. وهذا لا يتطلب جراحة. إنه خيار جيد للمرضى الذين يفضلون عدم الخضوع لإجراءات جراحية.

لا يقتصر دور تقنية tFUS على تعديل دوائر الدماغ فقط. بل يمكنه علاج العديد من المشاكل العصبية. على سبيل المثال، يعمل على علاج الاضطرابات النفسية والألم المزمن وتوصيل الأدوية مباشرة إلى الدماغ.

يقدم كل من DBS وTFUS طريقتين فريدتين للمساعدة في تقدم طرق التحفيز العصبي. مع تزايد الطلب على هذه الأجهزة، والذي شهدناه في الفترة من 2013 إلى 2024، فإنها تواصل تحسين علاج أمراض الدماغ. فهي تقدم حلولاً جديدة...

التعليمات

مسرد المصطلحات المستخدمة

Brain-Computer Interface (BCI): نظام يُمكّن من التواصل المباشر بين الدماغ والأجهزة الخارجية، مما يسمح بالتحكم في التكنولوجيا من خلال النشاط العصبي. يتضمن هذا عادةً التقاط الإشارات ومعالجتها وترجمتها إلى أوامر لتطبيقات مثل الأجهزة المساعدة أو الأطراف الاصطناعية العصبية.

Computed Tomography (CT): تقنية تصوير طبي تستخدم الأشعة السينية والمعالجة الحاسوبية لإنشاء صور مقطعية للجسم، مما يتيح تصورًا دقيقًا للهياكل والأنسجة الداخلية. تُعزز هذه التقنية قدرات التشخيص من خلال توفير صور ثلاثية الأبعاد من بيانات ثنائية الأبعاد.

Food and Drug Administration (FDA): وكالة اتحادية تابعة لوزارة الصحة والخدمات الإنسانية الأمريكية مسؤولة عن تنظيم سلامة الأغذية والأدوية والأجهزة الطبية ومستحضرات التجميل ومنتجات التبغ لضمان الصحة العامة والسلامة من خلال التقييم العلمي وإنفاذ معايير الامتثال.

Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): جمعية مهنية تُعنى بتطوير التكنولوجيا في الهندسة الكهربائية والإلكترونيات وعلوم الحاسوب والمجالات ذات الصلة من خلال المنشورات والمؤتمرات وتطوير المعايير. وتشجع الجمعية الابتكار والتعاون بين المهنيين والباحثين حول العالم.

Robotic Process Automation (RPA): تقنية تستخدم الروبوتات البرمجية لأتمتة المهام المتكررة والمبنية على القواعد في العمليات التجارية، مما يتيح زيادة الكفاءة والدقة والإنتاجية من خلال محاكاة التفاعلات البشرية مع الأنظمة الرقمية.

Technological Readiness Levels (TRL): مقياس يستخدم لتقييم نضج التكنولوجيا، ويتراوح من البحث والتطوير الأساسي إلى النشر الكامل، ويصنف عادة من 1 (المفهوم) إلى 9 (الاستخدام التشغيلي)، مما يسهل التقييم واتخاذ القرار في عمليات تطوير التكنولوجيا.