Beyin-Bilgisayar Arayüzü ve Rehabilitasyon

Bilimkurgu filmlerinden aşina olduğumuz siborg veya cyborg, hem organik hem de biyomekatronik kısımları olan varlıklardır. “Sibernetik organizma” ifadesinin kısaltılması ile elde edilmiş bir kelimedir. Siborgda canlıya teknoloji ürünü birtakım yapay bileşenlerin entegrasyonu ile fonksiyonların geri kazanılması veya arttırılması söz konusudur. Bu teknolojide canlı (organik) kısım ile yapay kısım arasında iki yönlü etkileşim olur, organik kısımdan kontrol emirleri giderken yapay kısımdan gerçekleşen işle ilgili duyusal geribildirimler sağlanır.

Siborg kavramı 1960’larda tanımlanmış olsa da uzun süre hayal olarak kaldığı söylenebilir. Son yıllarda ise yüksek teknolojik cihazların kullanımı ile hem sağlıklı insanların çeşitli becerilerini arttırma hem de çeşitli hastalıklar nedeniyle kaybedilmiş fonksiyonları geri kazanma anlamında örnekler görülmektedir. Felçli hastaların yitirdikleri fonksiyonları geri kazanmaları için yoğun çabalar ilk meyvelerini vermektedir. Kaybedilmiş kol veya bacak hareketini telafi eden robotik cihazların beyinle kontrolü mümkün hale gelmiştir. Bu uygulamalarda beynin makine ile iletişimini beyin-bilgisayar arayüzü sağlamaktadır.

Beyin-bilgisayar arayüzü nedir?

Beyin-bilgisayar arayüzü (BBA), beynin oluşturduğu komutlar için normal çıktı yolu olan sinir lifleri (periferik sinirler) veya kaslara dayanmayan bir iletişim sistemi olarak tanımlanır. Bu tanımlama ile BBA bazı felçli hastalarda hareketleri korunmuş mimik ve göz kaslarını kullanarak hastanın iletişim becerisini artıran diğer yöntemlerden ayırt edilmiş olur. Beyin-bilgisayar arayüzleri ile ilgili ilk çalışmalar iletişim fonksiyonuna odaklansa da günümüzde hareket, duyu ve diğer fonksiyonları geliştirmek için de kullanılmaktadırlar. Bu teknoloji hareket ve duyu algısı için yardımcı cihazlar geliştirilmesi ve bu cihazların hasta tarafından kontrolünün sağlanması bakımından fizik tedavi ve rehabilitasyon alanında güçlü bir potansiyele sahiptir. Ayrıca BAA sistemleri nöroplastisiteyi güçlendirerek nörolojik hasarın iyileşmesini sağlamak için de önemli bir araç olabilir.

Beyin-bilgisayar arayüzü nasıl çalışır?

Beyin-bilgisayar arayüzünün yapması gereken esas işler beyinde oluşan sinyallerin algılanması, bu sinyallerin bilgisayar algoritması yardımı ile işlenmesi ve kişinin yapmak istediği eylemi efektör araç denen cihazla gerçekleştirmesidir. Yani kayıt, sinyallerin çözümlenmesi ve komutlara dönüştürülmesi, efektör cihazla komutlara uygun eylemin gerçekleştirilemesi ana basamaklardır. Ayrıca efektör cihazın gerçekleştirdiği hareketle ilgili kişiye duyusal geri bildirim sağlanması da çoğu sistemde yer alan bir özelliktir.

Beyin-bilgisayar arayüzü hangi anatomik bölgede kullanılır?

Merkezi sinir sisteminin bazı alanları BBA sistemlerinin kullanımı için daha elverişlidir. Beynin korteks denilen kafatasına yakın kabuk kısmı belli fonksiyonlar için özelleşmiştir. Örneğin beyin kabuğundaki primer motor kortekste eli kontrol eden alanın yeri bellidir. Kafanın yan tarafında bulunan bu alan sinir hücresi sinyallerinin kaydedilmesi açısından nispeten kolay bir bölgedir. Fonksiyonel organizasyonunun kişiden kişiye fazla değişmemesi ve kolay ulaşılabilir olması açısından beyin korteksi BAA sistemlerinin kullanımı için en sık tercih edilen alandır. Ancak teorik olarak BBA merkezi sinir sistemindeki herhangi bir kısımda kullanılabilir.

Sinir hücrelerinin aktivitelerini kaydetmek

Hissettiğimiz tüm duyular, düşüncelerimiz ve hareketlerimizi gerçekleştiren komutlar temelde sinir hücrelerinin elektriksel aktivitesidir. Bu elektriksel aktivite çözümlenirse kişinin ne düşündüğünün bilinebileceği varsayılır. Felçli hastaların beyin aktiviteleri ile robotik cihazların ya da fonksiyonel elektrik stimülasyonunun kontrolü için ilk aşama beyindeki sinyallerin algılanmasıdır.

Sinir hücre sinyallerini kaydeden teknikler invaziv ve non-invaziv olarak iki çeşittir. Non-invaziv (girişimsel olmayan) tekniklerde sinir hücrelerinin elektriksel aktiviteleri cilt üzerinden EEG kaydı ile veya indirekt yöntemler olan fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme, magnetoensefalografi, fonksiyonel yakın-kızılötesi spektroskopi gibi yöntemler ile kaydedilir. İnvaziv (girişimsel) tekniklerde ise ameliyat ile kayıt elektrotları cilt altına, kafatası derininde beyin zarları arasına hatta direkt olarak beyin dokusu içine yerleştirilebilir. İnvaziv teknikler ameliyatla ilişkili riskler taşır fakat çok daha spesifik kayıt alınabilmesini sağlar. Travmatik beyin hasarı ve inme hastalarında en sık olarak non-invaziv yöntemler olan EEG ve yakın-kızılötesi spektroskopi kullanılmaktadır.

Elde edilen sinyaller hareketi sağlayan komutlara dönüştürülür

İster invaziv ister non-invaziv yöntemler kullanılsın, elde edilen sinyallerin amplifikasyon (yükseltme) ve dijitalleştirme işlemlerinden geçirilmesi gerekir. Sinyallerin ayırt edici özellikleri bir algoritma yardımı ile ayrıştırılarak efektör cihazı kontrol eden emirlere dönüştürülür. EEG gibi non-invaziv tekniklerle elde edilen kayıtlar çok geniş bir sinir hücresi topluluğunun ortalaması alınmış elektriksel aktivitesini kullanırken invazif tekniklerde tek tek nöronların ya da küçük nöron gruplarının uyarıları işlenebilir. Ölçüm hassaslaştıkça beyinde oluşan farklı komutların ayırt edilmesi ve kişi tarafından efektör cihazın daha iyi kontrolü mümkün olur.

Nöral sinyal özellikleri ağrı gibi fiziksel uyarılardan, yorgunluk veya öfke gibi durumlardan etkilenebilir. Algoritma bu tür nedenlere bağlı sinyal değişimlerini ayırt ederek esas yapılmak istenene eylemi çözümleyebilmelidir. Kişinin cihazı kontrol başarısına göre sinyallerin işlenme şeklinin ayarlanması gerekebilir. Nöral şifre çözme algoritmaları her BAA için özgün olmakla beraber adaptasyon özelliği de olmalıdır. Kendi kendini kalibre edebilmesi ve farklı kişilerde kullanılabilmesi gerekir. BAA’da algoritma kullanıcıya uyum sağlarken kullanıcı da algoritmaya uyum sağlar yani karşılıklı bir etkileşim söz konusudur. Kişinin BAA yardımıyla cihazı kontrol etmesi öğrenme süreci içerir. Bu anlamda beynin plastisitesi BAA’nın çalışması için gerekliyken BAA’nın nörorehabilitasyon amaçlı kullanımı da plastisiteyi arttırarak iyileşmeye katkı sağlıyor olabilir.

İnce işler yapabilmek

Merkezi sinir sisteminden elde edilebilen farklı sinyallerin sayısı ve kalitesi efektör cihazın hareket özgürlüğünü belirlemektedir. Bilgisayar faresi veya robotik kolu kontrol edebilmek için 2-4 kanal yeterli olabilirken eldeki tüm eklemlerin ayrı ayrı hareketini kontrol edebilmek için 22 kanal gerekir. EEG gibi non-invaziv yöntemler sınırlı sayıda kanallı sistemleri kontrol etmek için iyidir. Buna karşın çok sayıda nöronun ortalama aktivitesinde fazla sayıda kontrol sinyali ayrıştırmak mümkün olmayabilir. İmplante edilmiş beyin bilgisayar arayüzleri ise daha keskin kayıt alarak çok sayıda farklı komutun ayrıştırılmasını sağlar ve kontrol edilen cihazların karmaşık işleri yapabilmesi mümkün olur. EEG veya miyoelektrik kontrol sistemlerinde kişi yapmak istediği hareketin yerine başka uzuvların temsili hareketlerini hayal etmek veya yapmaya çalışmak durumunda kalır. Oysa invaziv sistemlerde kişinin gerçekten yapmak istediği hareket ayırt edilerek efektör cihazın yapması sağlanabilir; bu da daha doğal kontrol hissi verir.

Duyusal geri bildirim oluşturulması

Beyin-bilgisayar arayüzleri yapılması istenen hareketin sinyalini beyinden almanın yanında duyusal sinyalleri de direkt olarak sinir sistemine aktararak geri bildirim verebilir. Kayıtta olduğu gibi duyusal uyarma teknikleri de invaziv veya non-invaziv olabilir. Sık kullanılan non-invaziv yöntemler nöron topluluklarını transkraniyel direkt akım stimülasyonu veya manyetik alanlarla uyarır. İnvaziv uyarı tekniklerinde subdural (beyin zarları arasında) veya intraparankimal (beyin dokusu içinde) elektrotlarla duyu sinyalleri verilebilir. Örneğin beyinde duyusal sinyallerin işlendiği korteks bölgesine uyarı verilerek elin dokunma hissi oluşturulabilir. Bu tarz duyusal geri bildirim cihazların kişinin vücut imgesine entegrasyonunu sağlar.

Efektör cihaz çeşitleri

Beyin bilgisayar arayüzlerinin algoritmanın çözdüğü komutlar doğrultusunda hareketi icra eden efektör cihazlar kişinin ihtiyaçları ve sistemin amacına göre farklı tasarımlarda olabilmektedir. Bu cihazların amacı genel olarak hareket kontrolü ve nörorehabilitasyondur. Hareketi gerçekleştiren cihazlar fonksiyonel elektrik stimülasyonu (FES), ortotik ve dış iskeletler, prostetik ve robotik araçlar olabilir.

Nöromusküler FES

Beyin bilgisayar arayüzleri FES ile eşleştirilerek hareketlerin istemli kontrolünü sağlayabilir. FES tek başına yerçekimini yenecek ölçüde kuvvet üretemeyebilir, bu nedenle bazı FES sistemleri dış iskelet veya splint benzeri bileşenlerle melez olarak tasarlanabilir. FES klinik olarak kasları güçlendirmek, spastisiteyi azaltmak, felcin iyileşmesine yardım etmek gibi amaçlarla kullanılmaktadır. BAA ile kombine edildiğinde FES uyarıları kullanıcı kontrolüne geçer; bu da öğrenme mekanizmalarını güçlendirebilir. Ancak zaten zor bir uygulama olan FES ile koordineli hareketlerin elde edilmesi, BAA entegrasyonu ile daha da karmaşıklaşmaktadır. Ayrıca hareket oluşturucu mekanizma olarak FES her hasta için uygun değildir. Örneğin periferik sinir hasarı ve alt motor nöron hastalıkları FES’e cevap vermez. Bazı hastalar kas kontraksiyonu oluşturan elektrik akımlarını tolere edemez. Bu hastalarda etkilenen uzvun hareketi dış iskelet veya robotik cihazlarla sağlanabilir. Ampute hastalarında ağrıyı azaltmak amaçlı sanal gerçeklik uç efektör olarak tercih edilebilir.

Dış iskelet ve robotik cihazların kontrolü

Dış iskelet ve ortotikler eklemlerin fonksiyonel pozisyonlarda desteklenmesi için yararlıdır; aynı zamanda hareket açıklığı boyunca hareket sağlayabilirler. Alt motor nöron hastalığı olan ya da ağır kas erimesi olan hastalarda bu yaklaşım geçerlidir. İnme gibi üst motor nöron hastalığı olanlarda da dış iskelet ile BBA uygulamasına ilgi artmaktadır. Motorlu dış iskeletler istemli veya FES ile uyarılmış kas gücünü arttırabilir ve zayıf eklemlerin tedaviye katılımını sağlayabilir. Hem kol hem de bacak için bu tarz BBA sistemleri kullanılmaktadır. Yürüme için Rex Bionics [Boston, MA], Cyberdyne’nin HAL dış iskeleti [Tsukuba, Japonya] ve kol için BOTAS [Tokorozawa, Japonya] örnek verilebilir. Robotik cihazlar ile beyin bilgisayar arayüzü kombinasyonu yoğun rehabilitasyon sürecine hastanın katılımını arttırması anlamında yararlı olmaktadır.

Beyin-bilgisayar arayüzlerinin rehabilitasyonda kullanımı

Beyin bilgisayar arayüzlerinin nörolojik hastalıkların tedavisindeki potansiyelleri biyomedikal mühendisler ile klinisyenlerin işbirliğini arttırmaktadır. Beyin-bilgasayar arayüzündeki gelişmeler rehabilitasyon hastasında hareketin yeniden sağlanması veya telafisi üzerine odaklanmaktadır. Telafi edici amaçla kullanımlarda BBA hastanın klavye kullanma, internette gezinme, evde ışıkları, ısıyı, televizyonu kontrol etme, motorlu tekerlekli sandalyeyi yönetme, nöroprostetik kol veya bacağı kontrol etme gibi işleri yapabilmesini sağlar. Normal merkezi sinir sistemi fonksiyonlarını geri kazandırma amacıyla kullanımında ise aktiviteye bağımlı beyin plastisitesini kuvvetlendirerek etki eder. BBA hareket amaçlı beyin aktivitesini efektör cihazların oluşturduğu gerçek hareket ve duyularla senkronize eder.

BBA’lar afazisi olan travmatik beyin hasarlarında ve locked-in sendromunda yardımcı iletişim aracı olarak kullanılmıştır. İmplante edilmiş hareket ve duyu sağlama amaçlı BAA sistemleri için beyin dokusunun sağlam olduğu bölgeler kullanılmaktadır. Primer motor korteksin hasarlı olduğu durumlarda BAA için yardımcı motor bölgeler ve parietal duyusal alanlar kullanılabilmektedir. Beyin kabuğunun omurilikle bağlantısının bozulduğu kortikospinal yol hasarlarında BAA ile tedavi edici fonksiyonel kazançlar sağlanabilmektedir. Ancak BAA’nın gerçekten ne derece yararlı bir yöntem olduğunun anlaşılması için daha çok klinik çalışmaya ihtiyaç vardır.

Etik konular

BBA kullanımı bazı etik sorunları beraberinde getirmektedir. Özellikle invaziv teknikler belli riskleri içerdiği için etik sorunlar öne çıkmaktadır. İşlem yapılmadan önce hastanın özerkliği ve aydınlatılmış onamı sağlanmalıdır. Bunların hasta için mümkün olmadığı durumlarda resmi vasisi karar verici olabilmektedir. İnvaziv yöntemlerdeki cerrahi işlemler hayati gereklilik içermeyebilir ve deneysel nitelikler taşıyabilir. Potansiyel yararları yanında etkisizlik veya fonksiyon kaybı gibi istenmeyen sonuçlar da doğurabilir. Pahalı olan bu tekniklerin maliyet etkinliği tartışılan diğer bir konudur. Bu uygulamaların sosyal güvenlik kurumuna ve topluma maliyeti hastaya sağladığı yarar ile telafi olmakta mıdır? Herkese bu işlemler yapılamamaktadır, şu an için az sayıda hastada uygulanmış yöntemlerdir. Hastaların nasıl seçileceği bir diğer sorundur. Son olarak, BAA’nın hastaya uygulanması kişinin özbenliği ve vücut algısı üzerinde kalıcı etkiler oluşturabilir.