ส่วนต่อประสานสมองกับคอมพิวเตอร์

งานวิจัยด้าน BCI เริ่มต้นขึ้นในทศวรรษที่ 1970 โดยกลุ่มนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิสที่ได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยและกล่าวถึง BCI เป็นครั้งแรกในผลงานตีพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์ จากนั้น BCI ต่อยอดไปสู่การวัดสัญญาณที่ขั้วไฟฟ้าที่ฝังอยู่บนผิวสมองบริเวณที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวของอวัยวะที่สูญเสียไปของผู้พิการเพื่อไปควบคุมกายอุปกรณ์ หลังจากการทดลองในหนูประสบความสำเร็จจึงได้มีการนำไปทดลองกับมนุษย์เป็นครั้งแรกราวกลางทศวรรษที่ 1990

ปัจจุบัน งานวิจัยด้าน BCI ขยายออกไปสู่วัดสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับสภาวะทางจิตใจ เช่น อารมณ์ สมาธิ และการผ่อนคลาย เพื่อเพิ่มขีดความสามารถของปฏิสัมพันธ์ระหว่างมนุษย์และคอมพิวเตอร์

ประวัติของงานวิจัยด้าน BCI เริ่มต้นขึ้นจากการค้นพบสัญญาณไฟฟ้าทางสมองของมนุษย์โดยฮันส์ แบร์เกอร์ นักจิตวิทยาชาวเยอรมัน นำไปสู่การพัฒนาเครื่องบันทึกคลื่นไฟฟ้าสมอง (electroencephalograpy หรือ EEG) โดยในปี ค.ศ. 1924 แบร์เกอร์สามารถวัดกิจกรรมสมองมนุษย์ด้วย EEG โดยพบสัญญาณไฟฟ้าลักษณะเป็นคาบของคลื่นความถี่ประมาณ 8-13 เฮิร์ตส์ เรียกว่าคลื่นแอลฟา มีศักย์ไฟฟ้าระดับ 100 ไมโครโวลต์ จากนั้นแบร์เกอร์ได้พบว่าสัญญาณไฟฟ้าเหล่านี้ในคนที่เป็นโรคสมองจะแตกต่างจากคนปกติ เปิดทางไปสู่การวิจัยด้านกิจกรรมสมองมนุษย์โดยศึกษาคลื่นไฟฟ้า

ต่อมาในปี ค.ศ. 1973 Jacques Vidal นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิสเริ่มใช้คำว่า BCI เป็นครั้งแรกในเอกสารวิชาการที่มีผู้ตรวจสอบ นับเป็นผู้บุกเบิกวงการ BCI เนื่องจากผลงานตีพิมพ์หลายฉบับได้สรุปรวมและอภิปรายการวิจัยที่เกิดขึ้นในวงการ โดยกล่าวถึง BCI ว่าเป็นการควบคุมวัตถุภายนอกโดยใช้สัญญาณไฟฟ้าของสมอง (EEG) จากนั้นในปี ค.ศ. 1977 มีการทดสอบ BCI โดยดูการเปลี่ยนแปลงสัญญาณไปทางลบของคลื่น EEG แล้วนำไปควบคุมวัตถุกราฟิกบนจอคอมพิวเตอร์

จากนั้น งานวิจัยด้าน BCI ขยายไปสู่การใช้คลื่นสมองที่บันทึกจากขั้วไฟฟ้าที่ฝังอยู่บนผิวสมอง ซึ่งต้องอาศัยการผ่าตัดเพื่อฝังขั้วไฟฟ้า ต่อมาในปี ค.ศ. 1988 มีการนำสัญญาณ EEG มาใช้ในการควบคุมหุ่นยนต์ โดยสั่งให้หุ่นยนต์เริ่ม หยุด และกลับไปเริ่มเคลื่อนไหวใหม่ จากนั้นในปี ค.ศ. 1990 เริ่มมีการนำสัญญาณสัญญาณสมองที่อ่านได้ไปประมวลผลแล้วแปลงกับเป็นข้อมูลขาเข้าให้สมอง ทำให้ระบบเป็นระบบวงวนปิด และต่อยอดไปสู่การประยุกต์ใช้งานอีกมากมาย

หน่วยปฏิบัติการวิจัยหลายแห่งสามารถบันทึกสัญญาณจากเปลือกสมองของลิงและหนูและทำให้สัตว์เหล่านั้นสามารถสั่งให้อุปกรณ์ภายนอกเคลื่อนไหวได้ ลิงสามารถสั่งการให้เคอร์เซอร์คอมพิวเตอร์ขยับและสั่งให้แขนกลของหุ่นยนต์เคลื่อนไหวได้โดยเพียงการคิดและรับสัญญาณภาพป้อนกลับเท่านั้นโดยไม่มีการเคลื่อนไหวร่างกายจริง ต่อมาในเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 2008 นักวิจัยประจำศูนย์การแพทย์มหาวิทยาลัยพิตต์สเบิร์กทำให้ลิงรู้จักการขยับแขนกลหุ่นยนต์เพียงแค่การนึกคิด การค้นพบนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการชื่อดังหลายฉบับ

ส่วนต่อประสานสมองกับคอมพิวเตอร์แบบล่วงล้ำ (Invasive BCI)

ส่วนต่อประสานสมองกับคอมพิวเตอร์แบบล่วงล้ำ จำเป็นต้องมีการผ่าตัดเพื่อฝังขั้วไฟฟ้าเข้าไปที่เนื้อเทาของสมองใต้หนังศีรษะ ข้อดีคือการได้สัญญาณที่ชัดเจนขึ้น แต่ข้อเสียคือผลข้างเคียงที่เกิดจากการผ่าตัด นอกจากนี้หากร่างกายต่อต้านขั้วไฟฟ้าที่ฝังอาจเกิดผลเสียต่อสุขภาพได้

การมองเห็น

การฝังขั้วไฟฟ้าไปที่สมองส่วนที่เกี่ยวข้องกับการมองเห็น สามารถทดแทนฟังก์ชันการมองเห็นที่เสียไปได้ของผู้ป่วยที่ตาบอด ในปี ค.ศ. 1978 วิลเลียม โดเบลล์ นักวิจัยอิสระได้ฝังขั้วอิเล็กโตรด 68 ขั้วเข้าไปที่เปลือกสมองส่วนการเห็นของ "เจอร์รี" ผู้ตาบอด โดเบลล์สามารถสร้างความรู้สึกของการมองเห็นแสง (Phosphene) ขึ้นมาได้สำเร็จ โดยในระบบนั้นมีการติดกล้องเข้าไปที่แว่นตาแล้วส่งสัญญาณไปยังขั้วไฟฟ้าที่อยู่บนสมอง ระบบสามารถทำให้เจอร์รีมองเห็นเฉดของสีเทาได้บ้างแต่ในความละเอียดที่ต่ำ ภาพเปลี่ยนแปลงค่อนข้างช้า อุปกรณ์ในช่วงแรกยังใช้คอมพิวเตอร์เมนเฟรมขนาดใหญ่ แต่เมื่อวิวัฒนาการด้านคอมพิวเตอร์เจริญขึ้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เล็กลง ทำให้ระบบมีขนาดที่เล็กและคล่องตัวมากขึ้น

ต่อมาในปี ค.ศ. 2002 โดเบลล์เริ่มฝังขั้วไฟฟ้ารุ่นที่สองให้กับเยนส์ เนามันน์ โดยได้พัฒนาขั้วไฟฟ้าให้ดีขึ้น สามารถถ่ายทอดสัญญาณ Phosphenes ไปยังสมองได้ดีขึ้น ทำให้เยนส์กลับมามองเห็นได้ระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม เยนส์และผู้ป่วยคนอื่นๆที่เข้าผ่าตัดในเวลาใกล้เคียงกันนั้นกลับประสบปัญหากับอุปกรณ์ในเวลาต่อมาและสูญเสียการมองเห็นอีกครั้ง นอกจากนี้ เยนส์ยังเสียชีวิตในปี ค.ศ. 2004 ทำให้งานวิจัยไม่ได้มีการบันทึกอย่างชัดเจนและพัฒนาต่ออย่างจริงจัง เยนส์ได้เขียนบันทึกเกี่ยวกับประสบการณ์ในงานวิจัยครั้งนี้ในหนังสือ Search for Paradise: A Patient's Account of the Artificial Vision Experiment และได้กลับบ้านเกิดที่แคนาดา สามารถใช้ชีวิตตามปกติได้ระดับหนึ่ง

การเคลื่อนไหว

การฝังขั้วไฟฟ้าไปที่สมองส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหว สามารถทำให้ผู้ป่วยที่พิการสามารถเคลื่อนไหวหรือขยับอุปกรณ์ที่ช่วยในการเคลื่อนไหวได้ เช่น แขนกลหุ่นยนต์

ในปี ค.ศ. 1998 ฟิลิป เคนเนดี และรอย แบเคย์ นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยเอมอรีฝังขั้วไฟฟ้าเพื่อกระตุ้นสมองของจอห์นนี เรย์ ชายผู้ป่วยด้วยโรคหลอดเลือดสมองที่ก้านสมองจนเป็นอัมพาต เรย์เรียนรู้จนสามารถขยับเคอร์เซอร์ของคอมพิวเตอร์ได้ในที่สุด แต่มาเสียชีวิตในปี ค.ศ. 2002 ด้วยโรคหลอดเลือดสมองโป่งพอง

ในปี ค.ศ. 2005 แมตต์ นาเกิล ผู้ป่วยอัมพาตเป็นบุคคลแรกที่สามารถขยับแขนเทียมโดยใช้ BCI ได้ ขั้วไฟฟ้า 96 ขั้วฝังอยู่ในเปลือกสมองส่วนที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวแขนทำให้สามารถขยับแขนหุ่นยนต์ได้เพียงแค่การนึกคิดว่าจะขยับ นอกจากนี้ยังสามารถขยับเคอร์เซอร์คอมพิวเตอร์ เปิดปิดหลอดไฟ และโทรทัศน์ได้

ส่วนต่อประสานสมองกับคอมพิวเตอร์แบบกึ่งล่วงล้ำ (Partially invasive BCI)

ส่วนต่อประสานแบบกึ่งล่วงล้ำนี้ยังอาศัยการผ่าตัดแต่แทนที่จะฝังขั้วไฟฟ้าไปที่เนื้อเทาของสมอง จะวางขั้วไฟฟ้าที่บนเปลือกสมองแทน สัญญาณที่ได้จะชัดเจนกว่าส่วนต่อประสานแบบไม่ล่วงล้ำและไม่มีความเสี่ยงที่จะเกิดเนื้อเยื่อแผลเป็นที่เกิดจากการที่สมองต่อต้านสิ่งแปลกปลอม จึงมีความปลอดภัยมากกว่าส่วนต่อประสาทแบบล่วงล้ำ

การบันทึกคลื่นไฟฟ้าเปลือกสมอง (Electrocorticography หรือ ECoG) เป็นการวัดกิจกรรมไฟฟ้าภายใต้กระโหลกศีรษะเช่นเดียวกับ EEG แต่ขั้วไฟฟ้าจะฝังอยู่ในแผ่นพลาสติกที่วางอยู่บนเปลือกสมองและใต้เยื่อดูรา มีการทดสอบในมนุษย์ครั้งแรกในปี ค.ศ. 2004 โดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวอชิงตัน เซนต์หลุยส์ ผู้ป่วยสามารถเล่นเกมสเปซอินเวเดอส์ผ่านทางคลื่นไฟฟ้าเปลือกสมองได้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าผู้ป่วยสามารถควบคุมอุปกรณ์ได้อย่างรวดเร็ว ไม่ต้องมีการฝึกฝนที่นาน และน่าจะเป็นจุดสมดุลระหว่างการได้สัญญาณที่ชัดเจนกับระดับในการล่วงล้ำเข้าไปยังสมอง

อย่างไรก็ตาม ขั้วไฟฟ้าเหล่านี้มักไม่ได้ฝังเพื่อการสร้างระบบต่อประสานกับคอมพิวเตอร์เป็นหลัก ผู้ป่วยมักมีปัญหาโรคลมชักมาแต่ก่อนแล้ว แต่ขั้วไฟฟ้าเหล่านี้มักฝังขึ้นชั่วคราวเพื่อให้แพทย์สามารถวินิจฉัยหาบริเวณที่เกิดความผิดปกติในสมองเพื่อผ่าตัดออกไปได้ การพัฒนาระบบ BCI เป็นเพียงผลพลอยได้จากการฝังขั้วไฟฟ้าเหล่านี้

ส่วนต่อประสานสมองกับคอมพิวเตอร์แบบไม่ล่วงล้ำ (Non-invasive BCI)