علم الأعصاب التطبيقي

يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لعلم الأعصاب التطبيقي في دراسة كيفية ارتباط وظائف الدماغ بأداء المهام/العمل. ولتحقيق ذلك، تُستخدم عادةً أساليب التصوير العصبي غير الجراحية لتسجيل المؤشرات الفيزيولوجية العصبية المباشرة لنشاط الدماغ من خلال تخطيط كهربية الدماغ (EEG) وتخطيط مغناطيسية الدماغ (MEG)، أو من خلال التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) الأيضي غير المباشر، بالإضافة إلى قياسات النشاط العصبي الوعائي، بما في ذلك التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) والتصوير الطيفي الوظيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة (fNIRS) والتصوير بالموجات فوق الصوتية عبر الجمجمة (TCD). وعادةً ما تكون دراسات علم الأعصاب التطبيقي أكثر توجهاً نحو التطبيقات العملية من دراسات علم الأعصاب المعرفي الأساسية، وغالباً ما تتطلب تحقيق توازن بين البيئات الخاضعة للتحكم والبيئات الطبيعية. وتوفر الدراسات التي تستخدم تجهيزات تصوير عصبي أكبر حجماً، مثل PET وMEG وfMRI، دقة مكانية وزمنية أعلى، ولكن على حساب زيادة القيود المفروضة على تصرفات المشاركين. باستخدام تقنيات أكثر سهولة في التنقل، مثل التصوير الطيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء الوظيفي (fNIRS) وتخطيط كهربية الدماغ (EEG)، يُمكن إجراء البحوث في بيئات أكثر واقعية، بما في ذلك المشاركة الفعلية في العمل قيد الدراسة (مثل القيادة). تتميز هذه التقنيات بانخفاض تكلفتها وتعدد استخداماتها، ولكنها قد تُقلل من عدد المناطق المُسجلة وقدرتها على تصوير النشاط العصبي من مناطق الدماغ العميقة. يُمثل تطبيق كل من التجارب المخبرية المُحكمة وترجمة النتائج إلى سياقات واقعية طيف التصوير العصبي في بيئة العمل العصبية.

يمكن استخدام أساليب التحفيز العصبي بشكل منفصل أو بالتزامن مع تقنيات التصوير العصبي لدراسة دور مناطق القشرة الدماغية في أداء المهام. ويمكن استخدام تقنيات مثل التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) والتحفيز المباشر للتيار عبر الجمجمة (tDCS) لتغيير استثارة مناطق القشرة الدماغية مؤقتًا. ويُفترض أن تحفيز منطقة قشرية معينة (وخاصةً باستخدام TMS) قد يُعطّل أو يُحسّن وظيفتها، مما يسمح للباحثين باختبار فرضيات محددة تتعلق بالأداء البشري.

أظهرت بعض الدراسات جدوى استخدام التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS) والتحفيز الكهربائي المباشر عبر الجمجمة (tDCS) لتحسين المهارات الإدراكية أثناء أداء المهام. وبينما استُخدم التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة في البداية لعلاج اضطرابات عصبية مختلفة مثل مرض باركنسون والخرف، فإن نطاق استخدامه آخذ في التوسع. في هذه التقنية، يمر تيار كهربائي عبر ملف مغناطيسي يوضع بالقرب من فروة رأس المريض. وتشير نتائج الدراسات إلى أن التحفيز غير الجراحي للدماغ يؤدي إلى زيادة مدة اليقظة المستمرة بمقدار 20 دقيقة. ^{[ 1 ]}

تُعدّ المقاييس الفيزيولوجية النفسية مقاييس فيزيولوجية (مثل قياسات الدم، ومعدل ضربات القلب، وموصلية الجلد، وغيرها) تتغير كجزء من العمليات النفسية. ورغم أنها لا تُعتبر مقياسًا عصبيًا مباشرًا، إلا أن علم هندسة الأعصاب يشجع أيضًا على استخدام المؤشرات الفيزيولوجية كمقاييس تابعة عندما تُشير إلى أنشطة عصبية مثل الانتباه، والعمليات الحركية، والعمليات العاطفية. ويمكن استخدام هذه المقاييس بالتزامن مع مقاييس التصوير العصبي، أو كبديل عنها عندما يكون الحصول على مقاييس التصوير العصبي مكلفًا للغاية، أو خطيرًا، أو غير عملي. ويُعدّ علم الفيزيولوجيا النفسية مجالًا متميزًا عن علم هندسة الأعصاب؛ ومع ذلك، يمكن اعتبار مبادئهما وأهدافهما متكاملة.

باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي، يمكن قياس عبء العمل الذهني من خلال زيادة تدفق الدم الدماغي في مناطق قشرة الفص الجبهي . تُظهر العديد من دراسات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي زيادة في تنشيط قشرة الفص الجبهي أثناء أداء مهمة الذاكرة العاملة. وبنفس القدر من الأهمية، يُعد تقييم يقظة المُشغِّل أو انتباهه أمرًا بالغ الأهمية. وباستخدام التصوير الدوبلري عبر الجمجمة لمراقبة سرعة تدفق الدم في الشرايين داخل الجمجمة، تبيّن أن انخفاض تدفق الدم يرتبط بانخفاض اليقظة واستنزاف الموارد المعرفية. ^{[ 2 ]}

الأتمتة التكيفية، وهي مفهوم جديد في مجال علم الأعصاب التطبيقي، تشير إلى نظام تفاعلي بين الإنسان والآلة يستخدم تقييمًا فوريًا لعبء عمل المشغل لإجراء التغييرات اللازمة لتحسين الأداء. ولضمان فعالية الأتمتة التكيفية، يجب أن يستخدم النظام مصنفًا دقيقًا لحالة المشغل لإجراء التقييم الفوري. تُظهر مصنفات حالة المشغل، مثل التحليل التمييزي والشبكات العصبية الاصطناعية ، دقة تتراوح بين 70% و85% في الوقت الفعلي. ومن أهم جوانب تطبيق الأتمتة التكيفية بشكل صحيح تحديد حجم عبء العمل الذي يستدعي التدخل. ويتطلب تطبيق الأتمتة التكيفية في علم الأعصاب التطبيقي تطوير أجهزة استشعار غير تدخلية، بل وتقنيات لتتبع حركة العين. وتشمل الأبحاث الحالية في تقييم الحالة الذهنية للشخص استخدام تخطيط كهربية العضلات للوجه للكشف عن الارتباك. ^{[ 3 ]}

تُظهر التجارب أن فريقًا مُكوّنًا من إنسان وروبوت يُحقق أداءً أفضل في التحكم بالمركبات الجوية والبرية مقارنةً بالإنسان أو الروبوت وحده (أي نظام التعرف التلقائي على الأهداف ). وبالمقارنة مع التحكم البشري الكامل والتشغيل الآلي الثابت، أظهر المشاركون ثقةً أكبر بالنفس، بالإضافة إلى انخفاض في عبء العمل المُدرك، عند استخدام التشغيل الآلي التكيفي. ^{[ 4 ]}

في مجال الأتمتة التكيفية، يكمن التحدي الأكبر في جعل الآلة قادرة على تحديد كيفية الاستجابة للتغيرات بدقة والعودة إلى ذروة الأداء. يجب أن تكون الآلة قادرة على تحديد مدى التغييرات اللازمة. وهذا أيضاً نتيجة لتعقيد النظام وعوامل أخرى مثل: مدى سهولة قياس المعلمة المُستشعرة، وعدد المعلمات التي يمكن تغييرها في نظام الآلة، ومدى كفاءة تنسيق هذه المعلمات المختلفة.

يسعى مجال بحثي نامٍ يُعرف باسم واجهات الدماغ والحاسوب (BCIs) إلى استخدام أنواع مختلفة من إشارات الدماغ لتشغيل الأجهزة الخارجية، دون أي تدخل حركي من المستخدم. تُبشّر هذه الواجهات بآفاق واعدة للمرضى ذوي القدرات الحركية المحدودة، مثل مرضى التصلب الجانبي الضموري . فعندما يُمارس المستخدم نشاطًا ذهنيًا مُحددًا، يُولّد ذلك جهدًا كهربائيًا فريدًا في الدماغ، تتم معالجته ونقله كإشارة للجهاز الخارجي. وقد استُخدمت واجهات الدماغ والحاسوب التي تستخدم إشارات من تخطيط كهربية الدماغ (EEG) وجهود الاستجابة المُستحثة (ERPs) لتشغيل مُركّبات الصوت وتحريك الأذرع الروبوتية. بدأ البحث في مجال واجهات الدماغ والحاسوب في سبعينيات القرن الماضي في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، وينصبّ تركيزه حاليًا على تطبيقات الأطراف الاصطناعية العصبية. يُمكن تحسين واجهات الدماغ والحاسوب بشكل كبير من خلال دمج التحكم عالي المستوى، والسياق، والبيئة، بالإضافة إلى الواقع الافتراضي في تصميمها. ^{[ 5 ]}

منذ عام ٢٠١١، بُذلت جهود لتطبيق روبوت تأهيلي متصل بواجهة غير جراحية بين الدماغ والحاسوب، بهدف تعزيز مرونة الدماغ والتعلم الحركي بعد السكتة الدماغية . يعاني نصف الناجين من السكتة الدماغية من شلل أو ضعف في جانب واحد من الجسم، ولا يستعيد ما يقارب ٣٠-٦٠٪ منهم وظائفهم الحركية. يشمل العلاج التقليدي بعد السكتة الدماغية العلاج الحركي المقيد والعلاج الروبوتي، واللذان يعملان على استعادة النشاط الحركي عن طريق تحريك الأطراف الضعيفة. لا يمكن الاستفادة من العلاج النشط الحالي للمرضى الذين يعانون من فقدان كامل للسيطرة أو شلل، والذين لا يملكون أي قدرة حركية متبقية.

مع التركيز على هؤلاء المرضى الذين لا يحصلون على الرعاية الكافية، تم ابتكار واجهة دماغية حاسوبية (BCI) تستخدم الإشارات الكهربائية للدماغ التي يرصدها تخطيط كهربية الدماغ (EEG) للتحكم في روبوت تأهيلي للأطراف العلوية. يُطلب من المستخدم تخيّل النشاط الحركي بينما يلتقط جهاز تخطيط كهربية الدماغ الإشارات الدماغية المرتبطة به. تستخدم واجهة الدماغ الحاسوبية خوارزمية تحويل خطي لتحويل الخصائص الطيفية لتخطيط كهربية الدماغ إلى أوامر للروبوت. أجريت تجربة على 24 شخصًا لاختبار مجموعة لا تستخدم واجهة الدماغ الحاسوبية، والتي استخدمت الإيقاعات الحسية الحركية للتحكم في الروبوت، مقابل مجموعة تستخدم واجهة الدماغ الحاسوبية، والتي استخدمت نظام الروبوت وواجهة الدماغ الحاسوبية. أظهرت نتائج تحليل مرونة الدماغ انخفاضًا في نشاط موجات بيتا لدى أفراد مجموعة واجهة الدماغ الحاسوبية، وهو ما يرتبط بتغير في الحركة. كما أظهرت النتائج تفوق أداء مجموعة واجهة الدماغ الحاسوبية على المجموعة التي لا تستخدمها في جميع مقاييس التعلم الحركي. ^{[ 6 ]}

قد تُتيح تقنية الواقع الافتراضي اختبار كيفية عمل المشغلين البشريين في بيئات خطرة دون تعريضهم للخطر فعليًا. على سبيل المثال، ستُمكّن من اختبار تأثير الإرهاق أو التكنولوجيا الجديدة على السائق أو الطيار في بيئتهم الخاصة، دون احتمال الإصابة. إن القدرة على تقييم آثار بعض تقنيات مكان العمل الجديدة في الواقع الافتراضي، قبل تطبيقها على أرض الواقع، من شأنها توفير المال وإنقاذ الأرواح. يُعدّ تطوير تقنية الواقع الافتراضي إلى مستوى يُحاكي الواقع بدقة أمرًا صعبًا، لكن إمكانياتها هائلة. ^{[ 7 ]}

اعتمدت برامج التدريب في مجال الرعاية الصحية تقنية محاكاة الواقع الافتراضي كأداة تدريبية لطلاب التمريض. تتيح هذه الأداة الحاسوبية ثلاثية الأبعاد لطلاب التمريض ممارسة مهارات التمريض المختلفة بشكل متكرر في بيئة آمنة. وقد وافق برنامج تمريض في إحدى الجامعات الحكومية الكبرى في الغرب الأوسط الأمريكي على استخدام وحدة محاكاة الواقع الافتراضي لتعليم إدخال القسطرة الوريدية ، وإجراء تقييم لفعالية البرنامج. تتكون وحدة محاكاة الواقع الافتراضي من برنامج حاسوبي وجهاز ذراع حسية، يعملان معًا لمحاكاة الإحساس بالوصول إلى الأوعية الدموية. على شاشة الحاسوب، يتعين على المستخدم اختيار المعدات اللازمة للإجراء بالترتيب الصحيح. ثم يقوم المستخدم بتحسس أوردة الذراع الحسية، ويُدخل القسطرة الوريدية افتراضيًا. يوفر البرنامج تغذية راجعة فورية من خلال تنبيه المستخدم عند إغفاله أي خطوة وحاجته إلى إعادة الإجراء.

أشارت نتائج التقييم إلى أن نظام الواقع الافتراضي أداة تعليمية ممتازة لتعزيز معرفة الطالب بالإجراء. وقد اتفق جميع أعضاء هيئة التدريس الثمانية في قسم التمريض المشاركين على ذلك، وأوصوا الطلاب بالتدرب على نظام الواقع الافتراضي قبل إجراء عملية إدخال القسطرة الوريدية على المرضى الحقيقيين.

تتيح هذه الأداة للمعلمين تعريف الطلاب بمجموعة واسعة من حالات المرضى الواقعية وتجارب التمريض. وتتمثل الميزة الرئيسية لبرنامج الواقع الافتراضي في توفر سيناريوهات حالات متنوعة، مما يسمح للطلاب بتعزيز وعيهم بالاختلافات في استجابات المرضى لإدخال القسطرة الوريدية. ومن وجهة نظر الطالب، تساعد محاكاة الواقع الافتراضي في سد الفجوة بين نظرية التمريض وممارسته. ^{[ 8 ]}

تتمتع التقييمات العصبية الحركية بإمكانات هائلة لتقييم الأداء النفسي الحركي لدى الأفراد ذوي الإعاقة العصبية الإدراكية، أو بعد الإصابة بسكتة دماغية أو الخضوع لعملية جراحية. فهي تتيح طريقة موحدة لقياس التغير في الوظائف العصبية الإدراكية أثناء إعادة التأهيل. وفيما يتعلق بإعادة التأهيل، فإنها تُمكّن من توجيه الجهود نحو تحقيق الأهداف. ويمكن تطبيق هذه الاختبارات لقياس التغيرات التي تلي العمليات الجراحية، مثل جراحة الأعصاب، واستئصال باطنة الشريان السباتي ، وجراحة تحويل مسار الشريان التاجي . ^{[ 9 ]}

يُعدّ مجال سلامة القيادة، وخاصةً لكبار السن الذين يعانون من ضعف الإدراك، أحد أبرز مجالات تطبيق علم الأعصاب التطبيقي. تتطلب القيادة دمج عمليات إدراكية متعددة، يمكن دراستها بشكل منفصل باستخدام الأدوات المناسبة. تشمل أنواع الأدوات المستخدمة لتقييم الإدراك أثناء القيادة أجهزة محاكاة القيادة، والمركبات المجهزة بأجهزة قياس، وأجهزة محاكاة المهام الجزئية. ^{[ 10 ]}

يعمل مختبر الأبحاث متعددة الحواس في أكسفورد على تطوير نظام إشارات تحذيرية لجذب انتباه السائق المشتت، سعيًا لجعل القيادة أكثر أمانًا للجميع. وقد توصلت الأبحاث إلى أن استخدام الرموز الصوتية، مثل بوق السيارة، يُعد إشارة تحذيرية أفضل من النغمة النقية. علاوة على ذلك، فإن الإشارات الصوتية المكانية أكثر فعالية في إعادة توجيه انتباه السائق من الإشارات الصوتية غير المكانية. كما أن الإشارات التي تُدمج حواسًا متعددة، مثل الإشارة السمعية اللمسية، تجذب الانتباه بشكل أفضل من الإشارات أحادية الحواس. ^{[ 11 ]} وقد قيّم باحثون آخرون أنواعًا مختلفة من الإشعارات داخل المركبة (مثل الرموز الصوتية والأوامر الصوتية) المصممة لإدارة المهام في الشاحنات ذاتية القيادة ، وذلك من حيث صلتها بالآليات العصبية المنفصلة؛ ويُعد هذا أسلوبًا فعالًا لتوضيح النتائج المتضاربة غالبًا والمستمدة من النتائج السلوكية وحدها. ^{[ 12 ]}