نوروگرینز: رابط مغز و رایانه آینده
ده‌ها ریزتراشه که روی سطح قشری مغز پراکنده می‌شوند، ممکن است به پژوهشگران کمک کنند تا فعالیت هزاران نورون را به‌طور هم‌زمان تحت نظارت قرار دهند. این تراشه‌ها که نوروگرینز (Neurograins) نام گرفته‌اند و اندازه هریک به‌اندازه‌ی یک دانه نمک است، به این منظور طراحی شده‌اند که روی سطح مغز یا سراسر بافت آن پراکنده شوند تا نسبت‌به آنچه با استفاده از ایمپلنت‌های مغزی دیگر ممکن است، سیگنال‌های عصبی را از مناطق بیشتری از مغز جمع‌آوری کنند. آرتو نورمیکو، نویسنده اصلی مقاله و دانشمند مهندسی عصب در دانشگاه براون که ساخت نوروگرینز را هدایت کرده است، می‌گوید:
هریک از این دانه‌ها ریزالکترونیک کافی را درون خود دارد که وقتی در بافت عصبی تعبیه می‌شود، می‌تواند از یک طرف فعالیت عصبی را ثبت کند و از طرف دیگر آن را به دنیای بیرون منتقل کند.
نوروگرینز که به‌عنوان نوعی رابط مغز و رایانه شناخته می‌شود، در مقاله‌ای در مجله‌ی Nature Electronics توصیف شده است.
نورمیکو در کنار دیگر پژوهشگران دانشگاه براون و نیز همکارانی از دانشگاه بیلور، دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو و شرکت کوالکام، چهار سال پیش کار روی نوروگرینز را آغاز کرد و بودجه اولیه پروژه را آژانس پروژه‌های پژوهشی پیشرفته دفاعی آمریکا (دارپا) تأمین کرد. آن‌ها تاکنون نوروگرینز را فقط روی جوندگان آزمایش کرده‌اند، اما امیدوار هستند نمونه اولیه‌ی آن‌ها زمینه‌ساز انجام مطالعات انسانی شود.
نوروگرینز علاوه بر ثبت فعالیت مغز، همچنین می‌تواند با پالس‌های الکتریکی کوچکی نورون‌ها را تحریک کند و به این طریق راهی جذاب برای مطالعه درمان اختلالات مغزی مانند صرع و بیماری پارکینسون یا بازیابی عملکرد ازدست‌رفته مغز پس از آسیب ایجاد می‌کند.
پژوهشگران سیستم خود را روی موش صحرایی کاشتند و عمل کرانیوتومی (عمل بریدن قسمتی از جمجمه) را انجام دادند تا ۴۸ نوروگرینز را روی قشر مغز (لایه خارجی مغز) قرار دهند. آن‌ها ریزتراشه‌ها را به شکلی قرار دادند که بیشترِ ناحیه‌ی حرکتی و حسی را پوشش دهد. لایه‌ی نازکی به اندازه اثر انگشت شست که به پوست سر متصل بود، به‌عنوان مرکز ارتباطات خارجی عمل می‌کرد و سیگنال‌ها را از نوروگرینز دریافت می‌کرد، آن‌ها را پردازش می‌کرد و تراشه‌ها را به‌صورت بی‌سیم شارژ می‌کرد.
چند ریزتراشه‌ی سیلیکونی معروف به نوروگرینز
پژوهشگران سیستم خود را درحالی‌که حیوانات تحت بیهوشی قرار داشتند، آزمایش کردند و دریافتند که نوروگرینز می‌تواند فعالیت خودبه‌خودی قشر مغز را در موش‌های بیهوش ثبت کند. اگرچه کیفیت سیگنال‌ها به خوبی سیگنال‌های حاصل از تراشه‌های تجاری که در بیشتر پژوهش‌های رابط مغز و رایانه به دست می‌آید، نبود.
این رابط‌ها از دهه‌ی ۱۹۷۰ درحال توسعه بوده‌اند و در سال‌های اخیر، به معدودی از بیماران دچار فلجی کمک کرده‌اند تا دستگاه‌های تبلت را کنترل کرده، با فکر کردن درمورد چیزی، آن را روی رایانه تایپ کنند یا اندام رباتیک یا مکان‌نمای روی صفحه‌نمایش را حرکت دهند.
سیستم‌های مذکور برای افرادی که دچار آسیب مغز و نخاع هستند، می‌توانند درنهایت ارتباط و حرکت را بازیابی و به این افراد کمک کنند تا مستقل‌تر زندگی کنند. اما درحال‌حاضر، آن‌ها چندان کاربردی نیستند. بیشتر آن‌ها ساختارهای ناخوشایندی دارند و نمی‌توانند خارج از آزمایشگاه تحقیقاتی مورد استفاده قرار گیرند. افراد مجهز به ایمپلنت‌های مغزی به‌علت تعداد نسبتا کم نورون‌هایی که ایمپلنت می‌تواند به‌طور هم‌زمان فعالیت آن‌ها را ثبت کند، ازنظر کارهایی که می‌توانند انجام دهند، محدودیت دارند.
رایج‌ترین نوع تراشه مغزی که استفاده می‌شود، آرایه یوتا، لایه‌ای از ۱۰۰ سوزن سیلیکونی است که هر کدام دارای الکترودی در انتهای خود هستند که به بافت مغز می‌چسبد. یکی از این آرایه‌ها به اندازه صورت آبراهام لینکلن روی یک سکه ایالات متحده آمریکا است و می‌تواند فعالیت چند صد نورون اطراف خود را ثبت کند. اما بسیاری از عملکردهای مغز که پژوهشگران به آن‌ها علاقمند هستند (مانند حافظه، زبان و تصمیم‌گیری) شامل شبکه‌هایی از نورون‌ها می‌شود که در کل مغز پراکنده شده‌اند. چنتل پرات، دانشیار روانشناسی در دانشگاه واشینگتن که در پروژه نوروگرینز مشارکتی ندارد، می‌گوید: «برای درک نحوه‌ی عملکردهای مغز، لازم است آن‌ها را در سطح سیستم‌ها مطالعه کنید». پژوهش‌های پرات درزمینه‌ی رابط‌های غیرتهاجمی مغز و رایانه است که به جای کاشته‌شدن در مغز، روی سر را می‌پوشانند.
توانایی ثبت فعالیت تعداد بیشتری از نورون‌ها می‌تواند کنترل حرکتی دقیق‌تری را ممکن سازد و آنچه را که اکنون با دستگاه‌های کنترل به کمک مغز ممکن است، گسترش دهد. پژوهشگران همچنین می‌توانند از آن‌ها در حیوانات برای درک این موضوع استفاده کنند که نواحی مختلف مغز چگونه با هم ارتباط برقرار می‌کنند. پرات می‌گوید: «ازنظر نحوه‌ی عملکرد مغز، کل مهم‌تر از مجموع اجزا است».
فلوریان سولزباخر، هم‌بنیان‌گذار و رئیس شرکت سازنده آرایه یوتا، یعنی بلک‌راک نوروتک (Blackrock Neurotech) می‌گوید سیستم ایمپلنت عصبی گسترده ممکن است برای بسیاری از کاربردهای کوتاه‌مدت مانند فعال‌سازی عملکردهای حرکتی اساسی یا استفاده از رایانه ضروری نباشد. اگرچه، کاربردهای آینده نگرانه‌تر مانند بازیابی حافظه یا شناخت، یقینا به سازماندهی پیچیده‌تری نیاز دارند. او می‌گوید:
بدیهی است که فناوری ایده‌آل، چیزی است که بتواند تا حد امکان فعالیت تعداد زیادی نورون را در سراسر مغز، از سطح و عمق ثبت کند. آیا درحال‌حاضر به کل این پیچیدگی نیاز دارید؟ احتمالا، نه. اما ازنظر درک مغز و کاربردهای آینده، هرچه اطلاعات بیشتری داشته باشیم، بهتر است.
حسگرهای کوچک‌تر همچنین می‌تواند به‌معنای آسیب کمتر به مغز باشد. آرایه‌های کنونی حتی اگر کوچک باشند، می‌توانند موجب التهاب و ایجاد بافت زخم در محل کاشت شوند. سولزباخر که در مطالعه براون شرکت نداشت، می‌گوید: «معمولا، هرچه چیزی را کوچک‌تر کنید، احتمال اینکه توسط سیستم ایمنی به‌عنوان جسم خارجی شناسایی شود، کمتر است».
وقتی بدن شیء خارجی مانند یک تراشه را تشخیص می‌دهد، سعی می‌کند که آن را از بین برده و تخریب کند یا اینکه آن را با بافت زخم بپوشاند. اما درحالی‌که ایمپلنت کوچک‌تر ممکن است بهتر باشد، لزوما عاری از نقص نیست. حتی ایمپلنت‌های خیلی ریز نیز می‌توانند موجب تحریک پاسخ ایمنی شوند؛ بنابراین نوروگرینز باید از موارد سازگار با بافت زنده ساخته شود.
یکی از چالش‌های اصلی ساخت ایمپلنت‌های مغزی این است که ایمپلنت ماندگار به شکلی ساخته و تعبیه شود که از خطر نیاز به جراحی‌های جایگزینی اجتناب شود. آرایه‌های کنونی حدود شش سال دوام دارند اما بسیاری از آن‌ها به‌دلیل تشکیل بافت زخم در اطراف آن‌ها، خیلی زودتر از کار می‌افتند.
اگر نوروگرینز چاره این مشکل باشد، هنوز این سؤال وجود دارد که چگونه آن‌ها را وارد مغز کنیم. پژوهشگران براون در آزمایش جوندگان خود قسمت بزرگی از جمجمه‌ی موش‌ها را برداشتند که به دلایل آشکار در انسان مطلوب نخواهد بود.
آرایه‌های کاشته‌شده کنونی نیاز دارند که سوراخی در سر بیمار ایجاد شود و این در حالی است که گروه براون قصد دارد به‌کلی از جراحی تهاجمی مغز پرهیز کند. آن‌ها برای انجام این کار درحال ایجاد تکنیکی برای وارد کردن نوروگرینز هستند که شامل سوزن‌های نازکی می‌شود که با استفاده از دستگاه خاصی وارد جمجمه می‌شود (نورالینک درحال کار روی رباتی شبیه چرخ خیاطی برای تحویل ایمپلنت مغزی سکه‌مانند خود است).
ایمنی و ماندگاری ریزتراشه‌ها باید در جوندگان بیدار درحال حرکت آزادانه آزمایش شود که پژوهشگران براون قصد دارند در آینده به آن بپردازند. آن‌ها سپس آزمایش‌های خود را روی میمون‌ها تکرار خواهند کرد. تصور نورمیکو این است که مجموعه به کار رفته برای موش‌های صحرایی می‌تواند به ۷۷۰ نوروگرینز برسد تا سطح مغز انسان را پوشش دهد.
البته با جمع‌آوری اطلاعات عصبی از کل این تراشه‌ها، رمزگشایی از مفهوم همه‌ی این سیگنال‌ها یک چالش خواهد بود. پژوهشگران براون می‌خواهند درنهایت بتوانند فعالیت صدها هزار نورون را ثبت کنند. همه‌ی این سیگنال‌های مغزی باید رمزگشایی شده و به دستوراتی تبدیل شوند تا به دستگاه‌های خارجی منتقل شوند و اقدامات موردنظر کاربر را انجام دهند. این امر نیازمند تجزیه‌و‌تحلیل بسیار پیچیده‌تری از اطلاعات عصبی نسبت‌به چیزی است که سیستم‌های ساده‌تر امروزی قدرت انجام آن را دارند.
در همین حین، تیم نورمیکو می‌خواهد ببیند که آیا می‌توانند نوروگرینز را کوچک‌تر کنند، به‌طوری‌که قرار دادن صدها عدد از آن درون مغز موجب حداقل آسیب شود. به‌گفته‌ی نورمیکو، این یک مسئله ریزالکترونیک است و این کار را می‌توان انجام داد اما کار پر زحمتی است برای رسیدن به سیستم مطلوب باید آزمایش‌ها و مطالعات بسیاری انجام داد.