Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
תגלית חדשה פורסם: 3 במרץ, 2020

כיצד יכולים בני אדם הסובלים מתסמונת הנעילה לְתַקְשֵׁר עם מִמְשָׁק מוח-מחשב?

תַקצִיר

בני אדם הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת איבדו את היכולת לשלוט בתנועות מכל סוג שהוא. הם אינם יכולים לְדַבֵּר, להזיז את ידיהם או אפילו למצמץ או להזיז את עיניהם, אף שהמוח שלהם עובד. לכן, קשה מאוד לתקשר עם חולים אלה. קבוצות רבות פיתחו מערכות ממשק מוח-מחשב (BCI) היכולות להעניק תקשורת לאנשים אלה, גם אם אינם יכולים לזוז. מערכת ה־BCI יכולה לתרגם את פעילות המוח של המשתמש לאותות לצורך תקשורת, למשל: הֲשָׁבַת כן או לא. לרוע המזל, רוב המערכות האלה אינן יעילות עבור חולים שאינם יכולים לראות. כאן אנו מציגים תוצאות חדשות שהתקבלו ממערכת המשתמשת בהתקנים קטנים שרוֹטטים. המערכת נקראת mindBEAGLE (ביגל של המוח), והיא יכולה לרטוט על פרק כף היד השמאלית והימנית. החולה יכול לענות כן או לא על-ידי כך שהוא סוֹפר בשקט את הגירויים שבשורש כף היד האחת או האחרת. המערכת מורכבת על שורש כף היד, כי קל לחולה להבחין בין שתי הידיים. בדקנו את המערכת הזו על 12 חולים הסובלים מתסמונת הנעילה, והשגנו תקשורת מוצלחת עם 9 מהם. אפילו הצלחנו לגרום לשני חולים בתסמונת נעילה מוחלטת לתקשר. התקשורת המוצלחת נראתה מבטיחה, והייתה לה השפעה רבה על חייהם של חלק מהחולים.

מהם חולים הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת?

חולים הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת אינם יכולים להניע אזור כלשהו בגוף שלהם, ולכן אינם יכולים לתקשר עם משפחתם ועם חבריהם. רבים מהחולים האלה סובלים ממחלה הנקראת טרשת אמיוטרופית צידית (ALS), הגורמת להם לאבד שליטה על שריריהם. לפני הגיעם לנעילה מוחלטת, חולים אלה נמצאים במצב נעילה מופחת, כלומר הם עדיין יכולים להשתמש בחלק מהשרירים שלהם, והם יכולים למצמץ. במצב זה, אפשר להשתמש במצמוץ כדי לבסס תקשורת. ישנם מִתְקָנִים רבים היכולים לעזור לחולים לתקשר, גם אם אינם יכולים להקליד או לְדַבֵּר, על-ידי שימוש בנשימה שלהם; במצמוץ; בשרירי הלחי או בפעילות שרירית אחרת שהם עדיין יכולים לשלוט בה. אבל, כאשר חולים אינם יכולים לשלוט יותר על תנועה מכל סוג שהוא, הם עלולים לחוש מבודדים מאוד. אפילו רופאים ובני משפחה עלולים לא לדעת מה אותם חולים רוצים, והם אפילו לא יודעים אם החולים עדיין מספיק בריאים בנפשם כדי לתקשר.

חולים אלה, הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת, זקוקים לדרכים חדשות שיעזרו להם לבסס תקשורת. מסיבה זו, חוקרים התחילו לפתח ממשקי מוח-מחשב, הנקראים גם מערכות BCI. כדי ללמוד יותר על מערכות BCI אנו ממליצים על שני ספרים, האחד מאת וולפו וולפו ,[1] והאחר מאת נאם ועמיתיו [2].

ממשקי מוח-מחשב יכולים לזהוֹת פעילויות מוח מסוימות באמצעות רַשָֹׁם גלי מוח (EEG). רשם גלי מוח מודד את הפעילות החשמלית של נוירונים (תאי עָצָב) במוח. בכל פעם שאתם חושבים; מרגישים; מחליטים החלטות או מבצעים פעולה כלשהי במוח שלכם, הפעילות החשמלית של המוח שלכם משתנה. אם מיליונים רבים של נוירונים פועלים יחד, התוצאה היא שהשינויים בפעילות החשמלית הם גדולים דיים כך שאנו יכולים למדוד אותם בעזרת דיסקים קטנים ממתכת, הנקראים אלקטרודות. אפשר לְמַקֵּם את האלקטרודות האלה בכובע אלקטרודות, שאותו מניחים על הראש. הפעולה אינה דורשת ניתוח כלשהו ואינה מכאיבה. כובע האלקטרודות פשוט מונח על הראש, בדומה לכובע מצחייה.

כובעי אלקטרודות מתוכננים כך שכל אלקטרודה ממוקמת מעל אזור מוח מסוים. כך, האלקטרודות מודדות את גלי המוח ואת פעילות המוח באזורי מוח שונים. על-ידי בדיקת הפעילות של המוח באלקטרודות שונות ובזמנים שונים, ה־BCI יכול להמיר חלק מהמידע הזה לאותות בקרה עבור מכשירים מסוגים שונים. למשל, מערכות BCI שימשו לשליטה על מתקנים רובוטיים; למשחקי מחשב; להזזת סמן על מסך של מחשב ולתקשורת. באופיין, מערכות BCI איטיות הרבה יותר ממתקנים אחרים המשמשים לתקשורת ולבקרה כגון מקלדות, עכברים או פַּקָּדים. זו הסיבה העיקרית לכך שכיום אנשים אינם משתמשים במערכות BCI, אבל עבור אנשים שאיבדו את היכולת לזוז, מערכות ה־BCI עשויות לגרום לשינוי משמעותי בחייהם.

כיצד יכול BCI להשתמש בגלי מוח כדי לשלוט על הֶתְקֵן תקשורת?

במשך שנים רבות, חוקרים השתמשו במערכות BCI המבוססות על דימויי תנועות כדי לבסס תקשורת עם חולים הסובלים מתסמונת הנעילה. למשל, החולים התבקשו לדמיין תנועות של ידיהם השמאליות או הימניות. עצם המחשבה על תנועה של יד שמאל מַפְעִילָה את הצד הימני של המוח. מחשבה על תנועה של יד ימין מפעילה את הצד השמאלי של המוח. אחר כך, מערכת ה־BCI קובעת אם החולה חשב על הזזת יד ימין או שמאל. לבסוף, מערכת ה־BCI משתמשת בפעילות המוח של החולה כדי להזיז סַמָּן לצידו השמאלי או הימני של מסך מחשב, למשל.

סוג אחר של BCI משתמש בסוג מסוים של גל מוח הנקרא P300. ה־P300 הוא סוג של גל מוח שגדֵל כאשר אדם שם לב לאירוע פתאומי. אירוע זה יכול להיות סֵמֶל שמהבהב על מסך מחשב. בדוגמה זו, כל אותיות האלף-בית וכל המספרים מופיעים על המסך. חלק מהאותיות מהבהבות (ראו איור 1). המשימה של החולה היא להביט באות שהוא רוצה לומר, וכאשר אות זו מהבהבת, המוח מייצר P300. פירושו של דבר שגל המוח מייצר שיא קטן זמן קצר לאחר ההבהוב, המאפשר ל־BCI “לדעת” איזו אות החולה מנסה לתקשר.

איור 1 - ממשק מוח-מחשב (BCI) מסוג P300, המאפשר לחולה לכתוב מילים ומשפטים, תוך שימוש בגלי מוח בלבד.
  • איור 1 - ממשק מוח-מחשב (BCI) מסוג P300, המאפשר לחולה לכתוב מילים ומשפטים, תוך שימוש בגלי מוח בלבד.
  • החולה מתמקד באות שהוא רוצה לכתוב, הנקראת אות המטרה, וסופר בשקט כל פעם שהיא מהבהבת. בכל פעם שאות זו מהבהבת, המוח מייצר גלי מוח, כולל גל P300. אחר כך, ה־BCI מנסה לזהוֹת את אות המטרה על-ידי זיהוי ההבהוב שמייצר את ה־P300. ככה, אפשר לבחור אות אחר אות. בדוגמה זו, החולה כבר כתב WATCH YOUR BRAI (תשמור על המו...) האות הבאה במילה היא “N” (“ח” בעברית), ולכן האות הזו מודגשת בדוגמה זו. הטור המודגש בלבן מראֶה כיצד נראה המסך כאשר טור שלם מהבהב. היות שהטור המהבהב אינו כולל את אות המטרה, החולה יתעלם מההבהוב הזה, ולא ייווצר גל P300. העבודה שלנו משתמשת ברעיון דומה, אבל עם רְטָטִים במקום עם גירויים ויזואליים.

מדוע אנו זקוקים לסוג חדש של מערכת BCI עבור חולים הסובלים מתסמונת הנעילה?

בשתי מערכות ה־BCI שתוארו למעלה יש כמה בעיות. ה־BCI המבוסס על כך שהחולה חושב על תנועה אינו אמין במיוחד, ודורש אימון רב.

לחולים הסובלים מתסמונת הנעילה עלול להיות קשה להתרכז במשימה, והם עלולים להתעייף מהר מאוד, כך שיהיה קשה מאוד לְאַמֵּן אותם, ואולי אף בלתי אפשרי. מערכות BCI המבוססות על P300 אינן דורשות אימון של המשתמש, אבל רובן משתמשות בגירוי ויזואלי כגון אותיות על מסך, כמתואר למעלה. היות שחולים הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת אינם רואים, הם זקוקים ל־BCI שאינו דורש ראייה. לכן, חוקרים חיפשו מערכות BCI שאינן דורשות אימון רב, אשר יעילוֹת גם עבור אנשים שאינם יכולים לראות. חולים רבים הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת עדיין יכולים לחוש על שורש כף היד שלהם רְטָטִים או גירויי מגע אחרים. גם הקבוצה שלנו וגם קבוצות אחרות הוכיחו כי אפשר לייצר מערכות BCI מסוג P300 המבוססות על תחושת רְטָטִים.

מערכת BCI המבוססת על רְטָטִים

כדי לפתח BCI שיהיה שימושי עבור חולים הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת, החלטנו להשתמש בהתקנים קטנים שרוטטים. במקרה זה, התקן רוטט (כגון זה שבטלפון הסלולרי שלכם, שמופעל כאשר נכנסת הודעה או שיחה) ממוקם על שורש כף יד ימין; התקן נוסף ממוקם על שורש כף יד שמאל, והתקן שלישי ממוקם על הרגל של החולה (ראו איור 2, באמצע). אחר כך, מפעילים את כל אחד מההתקנים למשך זמן קצר מאוד. הנקודה החשובה עכשיו היא שאנו מבקשים מהחולה לספור את מספר הרְטָטִים במיקום מסוים, למשל בשורש כף יד שמאל. כאשר החולה סופר את הרְטָטִים על שורש כף יד שמאל, הדבר מייצר P300, כמו ה־P300 מהאותיות המהבהבות שבאיור 1. היות שהחולה מתעלם מהרְטָטִים שביד ימין ושברגל, רְטָטִים אלה יוצרים גלי P300 קטנים בהרבה. הדבר מאפשר למערכת ה־BCI לזהוֹת את העובדה שהחולה סָפַר את הרְטָטִים שבשורש כף יד שמאל בלבד.

איור 2 - התקנים רוטטים מחוברים ליד ימין של החולה, ליד שמאל שלו ולרגלו, והם מופעלים באופן אקראי למשך זמן קצר מאוד.
  • איור 2 - התקנים רוטטים מחוברים ליד ימין של החולה, ליד שמאל שלו ולרגלו, והם מופעלים באופן אקראי למשך זמן קצר מאוד.
  • החולה מחובר למערכת ממשק מוח-מחשב (BCI) בעזרת אלקטרודות של רשם גלי מוח (EEG) שנמצאות בכובע המונח על ראשו. למעלה מימין (הַעֲרָכָה): המוח מגיב לרְטָטִים שהחולה סופר בגל P300 (הקו הירוק) במשך 0.5 שניות. יש תגובה קטנה בלבד לרְטָטִים האחרים (הקו הכחול). מערכת ה־BCI מוצאת את ההבדלים שבין הקווים הכחולים לאלה הירוקים. בדיוק מתחת לגלי המוח האלה, תמונה נוספת המראָה את הדיוק של ה־BCI. אחרי רֶטֶט מטרה אחד בלבד, הדיוק של המערכת היה קצת פחות מ־75%. זו הסיבה לכך שאנו חוזרים על הרְטָטִים פעמים רבות ומשלבים בין התוצאות, כדי להגדיל את הדיוק. בדוגמה זו, המערכת הגיעה ל־100% דיוק אחרי שלושה רְטָטִים בערך, ונשארה ב־100% גם אחרי 10, 20 ו־30 רְטָטִים. בחולים הסובלים מתסמונת נעילה, לעיתים קרובות נדרשים מאיתנו יותר משלושה ניסיונות כדי להגיע לדיוק טוב. שמאל (תקשורת): אחרי שמגיעים לרמת דיוק גבוהה, המטפל יכול לשאול את החולה שאלות. החולה פשוט סופר בשקט את הרְטָטִים שבידו השמאלית כדי להשיב כן, ואת הרְטָטִים שבידו הימנית כדי להשיב לא. אחר כך, העיגולים הקטנים נעים לפתע לכן או ללא, והמשפחה רואה את התשובה!

החולים יכולים להשתמש בגישה זו כדי להשיב על שאלות, גם אם אינם רואים. אם אימא של חולה שואלת: “האם אתה נמצא באיטליה?” (ראו איור 2, שמאל), החולה יכול לבחור לספור את הרְטָטִים שביד ימין כדי לומר כן. אם החולה אינו נמצא באיטליה, ספירת הרְטָטִים שביד שמאל תשיב לא. החולה אף פעם אינו סופר את הרטטים שברגלו, כי גירויים אלה נחוצים רק כדי לְחַזֵּק את הרְטָטִים שבידיים. מערכת ה־BCI צריכה גם לחזור על הגירויים ליד שמאל וליד ימין כמה פעמים, כדי לקבל החלטה מדויקת על אודות התשובה שהחולה מנסה לתקשר. זה נובע מכך שהאותות מהמוח חלשים ורועשים מאוד.

המשימות המוטלות על ה־BCI

כל המשימות האלה נעשות על-ידי מערכת הנקראת mindBEAGLE (בּיגל של המוח). ביגל הוא סוג של כלב המפורסם בחוש הריח שלו. כלבי ביגל אגדתיים ביכולתם למצוא אנשים אבודים, בדומה לְמָה שאנו מנסים לעשות כאן. כמובן, איננו מנסים למצוא אנשים בעזרת הֲרָחָה אלא על-ידי הוכחה כי יש להם יכולת לתקשר, ועל-ידי מתן אמצעי תקשורת. גם אוניית הוד מלכותו, “הבּיגל”, הייתה אונייה מפורסמת בהיסטוריה של המדע – צ’ארלס דארווין חקר מגוון רחב של מינים שונים בזמן מסעו על אוניית “הבּיגל”, דבר שעזר לו לפתח תיאוריות רבות בנושא האבולוציה.

מערכת ה־BCI צריכה לבצע הרבה משימות שונות כדי לְפָרֵשׁ את גלי המוח נכון. ראשית, היא צריכה להגביר את האותות של המוח, כי האותות המגיעים מהמוח הם קטנים מאוד. אחר כך, האותות נשלחים למחשב שמבצע רֶצֶף של חישובים. כך, מערכת ה־BCI לומדת איך נראים גלי המוח עבור הרְטָטִים שבשורש כף יד שמאל, ימין וברגל. מידע זה משמש כדי לאמן את המערכת עבור כל חולה וחולה. איור 2 (ימין) מראה את תגובת המוח בזמן שהחולה ספר את הרְטָטִים שביד שמאל (הקו הירוק). האיור גם מראה את התגובה לרְטָטִים של יד ימין, שאותם החולה לא ספר (הקו הכחול). תהליך אימון זה נמשך 2.5 דקות. מערכת ה־BCI מספקת ציון למידת הדיוק, המלמד את המדען עד כמה המערכת יכולה לזהות היטב באיזה צד החולה סופר את הרְטָטִים.

תוצאות

אם ציון רמת הדיוק במערכת ה־BCI הוא 100%, המשמעות היא שהמערכת פועלת באופן מושלם (איור 2, ימין, הערכה). הדבר מלמד את המדען כי המוח של החולה מסוגל לחלוטין לבצע את המשימה, ושלחולה יש את פעילויות המוח הנדרשות לספירת רְטָטִים וליצירת P300. אם רמת הדיוק היא 0%, ייתכן כי המשמעות היא שהחולה ישן או אולי איבד לנצח את היכולת לבצע משימות שׂכליות הנחוצות עבור ה־BCI הזה. זו הסיבה לכך שיש לחזור על התהליך כמה פעמים. אם חולה כלשהו אינו מגיע לביצועים טובים, ייתכן שזה פשוט נובע מכך שביצענו את הבדיקה בזמן לא מתאים. עבור חולים הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת, אפילו רופאים עלולים להתקשות לקבוע אם החולים ערים ומגיבים בזמן ביצוע הבדיקה.

אם ציון רמת הדיוק גבוה מ־60%, אפשר להשתמש במערכת ה־BCI כדי לעזור לחולים לענות על שאלות. במקרה כזה, אנו שואלים את החולה 10 שאלות שונות, שעבורן אנו יודעים את התשובה הנכונה. אנו גם שואלים שאלות שאמורות להיות פשוטות מאוד, ושאפשר לענות עליהן כן או לא כגון: “האם נולדת באיטליה?” או “האם שמך רוזילה?” אחר כך, אנו סופרים את התשובות הנכונות. הדבר מלמד אותנו אם המערכת פועלת כַּשּׁוּרָה, ואם החולה יכול להשתמש בה. אחר כך, אפשר לעבור לשאלות כן/לא שעבורן איננו יודעים את התשובה כגון: “קר לך?” או “האם את רוצה לנסות פגישת תקשורת BCI נוספת מחר בשעה 10:00 בבוקר?”

לאחרונה, היה לנו מקרה מלהיב! אימא אחת השתמשה במערכת BCI, אחרי שהייתה נעולה לחלוטין במשך יותר מ־10 שנים. לפתע, היא ענתה נכון על 9 מתוך 10 השאלות. הדבר הוכיח לנו שהיא עדיין יכולה להבין מה קורה סביבה. בני משפחתה התרגשו מאוד לגלות שהיא יכולה להבין אותם. נוסף על כך הדבר יאפשר לבני משפחתה לשאול אותה שאלות נוספות בעתיד.

חולה נוסף הצליח לענות נכון על 7 מתוך 10 השאלות. המערכת עשתה טעות אחת, ופעמיים היא לא הייתה בטוחה מהי תשובתו של החולה. עבור חולה אחר הסובל מתסמונת נעילה מוחלטת, המערכת לא הצליחה לבסס תקשורת כלל. במקרה זה, יש להשתמש במערכת על אותו חולה אבל בזמן אחר, כדי לראות אם יתקבלו תוצאות שונות.

סך הכול, בדקנו את המערכת על 12 חולים הסובלים מתסמונת נעילה מוחלטת, ו־9 חולים מתוך ה־12 הצליחו לענות נכון על שאלות. בשלושה חולים לא הצלחנו לבסס תקשורת, ולכן נחזור על התהליך.

עבודה עתידית

בעתיד, נמשיך להקטין את מערכת ה־BCI, ולעשותהּ פשוטה יותר לשימוש. גם נשתמש בדרכים חדשות לפעול עם החולים כדי ללמוד על פעילות המוח שלהם וכדי להגיע לתקשורת טובה יותר. למשל, אנו רוצים להתקדם מֵעֵבֶר לתקשורת כן/לא על-ידי הוֹסָפַת התקנים רוטטים באזורים נוספים של הגוף, שיוכלו לעזור לחולים לבחור תשובות רבות-ברירה או אולי אפילו לאיית. לבסוף, אנו מתכננים טכנולוגיה שתהיה זמינה לשימוש בבית, כדי לאפשר לבני המשפחה לתקשר בכל זמן שירצו, ללא צורך במומחים שיעזרו להם לתפעל את מערכת ה־BCI.

מילון מונחים

ממשק מוח-מחשב (Brain-Computer interface, BCI): מערכת שיכולה לתרגם את פעילות המוח של המשתמש לאותות, לצורך תקשורת.

רשם גלי מוח (Electroencephalogram, EEG): מודד את הפעילות החשמלית של הנוירונים (תאי העצב) שבמוח.

P300: גל קטן שאפשר לראותו ברישום גלי מוח.

הצהרת ניגוד אינטרסים

מערכת ה־BCI המוזכרת בפרסום נקראתmindBEAGLE. היא מיוצרת על-ידי חברה בשם g.tec באוסטריה, שבה CG הוא המנכ”ל. שאר הכותבים מצהירים כי המחקר נערך בהיעדר כל קשרים מסחריים או פיננסיים שיכולים להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.


מאמר המקור

Guger, C., Spataro, R., Allison, B. Z., Heilinger, A., Ortner, R., Cho, W., et al. 2017. Complete locked-in and locked-in patients: command following assessment and communication with vibro-tactile P300 and motor imagery brain-computer interface tools. Front. Neurosci. 11:251. doi: 10.3389/fnins.2017.00251


מקורות

[1] Wolpaw, J. R. and Wolpaw, E. W. 2012. Brain-Computer Interfaces: Principles & Practice. Oxford: Oxford University Press.

[2] Nam, C. S., Nijholt, A., and Lotte, F., editors. 2018. Brain-Computer Interfaces Handbook: Technological and Theoretical Advances. CRC Press.