Dikkat edilirse bu tanım BBA’ları merkezi sinir sistemi tarafından üretilen sinyalleri ölçen ve bu sinyalleri kullanan sistemlerle sınırlıyor. Örneğin sesle, hareketle ya da kaslarla aktive edilen bir iletişim sistemi bu tanımlamaya girmiyor. Diğer yandan, beyindeki elektriksel aktiviteyi ölçen elektroensefalogram (EEG) cihazı da tek başına bir arayüz sayılmıyor. Çünkü bu cihaz sadece beyin sinyallerini kaydediyor ve tek başına kullanıldığında kullanıcının çevresinde herhangi bir çıktı üretmiyor. Özetle, BBA’lar temel olarak kullanıcıların beyin sinyallerini kullanarak onlarla birlikte çalışırlar

BBA teriminin 1970’lerde ortaya çıkmasından itibaren bu konudaki araştırmalar her geçen gün arttı ve dünya çapında pek çok laboratuvarda BBA’lar ana çalışma konusu oldu. Dolayısıyla pek çok yeni kavram, metot ve uygulama alanı ortaya çıktı. Günümüzde de yeni gelişmeler yaşanmaya devam ediyor.

Bu Arayüzler Nasıl Çalışıyor?

yüzyılın başlarında farklı beyin sinyallerini kaydetmek için yeni teknikler ve yöntemler geliştirilmesinin BBA araştırmalarına olumlu etkisi oldu. Bu sayede konuyla ilgili farklı yöntemler kullanılarak çok sayıda araştırma yapıldı. Ancak yöntemler ne kadar farklı olursa olsun tüm BBA sistemleri aynı temel prensip ve adımlar üzerinden çalışıyor. Prensip olarak bir BBA sistemini kontrol etmek için beyin sinyalleri kullanılıyor. Öncelikle tespit edilen beyin sinyalleri çevrimiçi sınıflandırma algoritmaları ile güçlendiriliyor, filtreleniyor ve kodlara dönüştürülüyor. Sonra BBA çıkışı bir protez, ortez, tekerlekli sandalye, robot veya imlecin hareketini kontrol etmek veya kasların veya beynin elektriksel uyarılmasını yönlendirmek için kullanılabiliyor.

Temel Bileşenler

BBA’ların işleyiş sistemi kullanıcının amacını gösteren beyin sinyallerinin tespit edilip gerekli ölçüm ve analizleri yapıldıktan sonra yönetilecek cihaza uygun komutlara dönüştürülmesine dayanıyor. Bu sistem temel olarak dört ana bileşenden oluşuyor:

1. Sinyal Toplama: Bu işlem belirli bir sensör teknolojisi kullanılarak (kafa derisine veya beyne yerleştirilen elektrotlar gibi) beyin sinyallerinin ölçülmesini kapsıyor. Bu sinyaller elektronik işleme için uygun seviyelere yükseltiliyor ve istenmeyen sinyaller filtreleme yoluyla temizleniyor. Daha sonra sayısallaştırılan sinyaller bilgisayara iletiliyor.
2. Özellik Belirleme: Bu adımda amaçla ilgili sinyaller yabancı içerikten ayrılıyor ve çıkış komutlarına çevrilmeye uygun bir hâle getirilmek üzere analiz ediliyor. Bu adımda kullanıcının amacı ile sinyaller arasında güçlü bir ilişki ve uyum sağlanması gerekiyor.
3. Özellik Dönüştürme: Elde edilen ilgili sinyaller çıkış cihazı için uygun komutlara dönüştürüldükleri algoritmaya aktarılıyor. Kullanılacak algoritmanın anlık değişikliklere uyum sağlaması ve cihazın tam kontrolünü kapsaması için dinamik bir yapıda olması gerekiyor.
4. Cihaz Çıkışı: Düzenlenen komutlar harici aygıtı çalıştırıyor ve imleç kontrolü, robotik kol hareketi, dijital konuşma gibi işlevler gerçekleşiyor. Kullanıcıya cihazın çalışması ile geri bildirim sağlanıyor ve döngü kapanıyor.

Bu bileşenler, işlemin başlangıcını ve zamanlamasını, sinyal işlemenin ayrıntılarını, cihaz komutlarının doğasını ve performans gözetimini tanımlayan bir işletim protokolü tarafından kontrol ediliyor. Etkili bir çalışma protokolü, bir BBA sisteminin esnek olmasını ve her kullanıcının özel ihtiyaçlarını karşılamasını sağlıyor.

Kaynakça: Rabinpoudel, Itnext, Healtheuropa, BilimveTeknik, Medium

Drew, L., “Agency and the algorithm”, Nature, 571, S19-S21, 2019.

Chaudhary, U., Birbaumer, N., Ramos-Murguialday, A., “Brain–computer interfaces for communication and rehabilitation”, Nature Reviews, Neurology, Cilt 12, s.513- 525, 2016.

Lotte, F. Ve ark, Introduction: Evolution of Brain–Computer Interfaces, Brain Computer Interfaces Handbook-Technological&Theoretical Advances, s.1-52, CRC Press, 2018.

Rao, R.P.N., Brain-Computer Interfacing-An Introduction, Cambridge University Press, 2013.

Abdulkader, S.N. ve ark., “Brain computer interfacing: Applications and challenges”, Egyptian Informatics Journal, 16, s.213-230, 2015.

The post Beyin Bilgisayar Arayüzü Ne Anlam Taşıyor? appeared first on Halil Durmus.

Düşünerek de Mümkün

Uzun yıllar boyunca insanlar ellerini kullanarak yani dokunarak bilgisayarlarla ve makinelerle etkileşim kurdu. Ancak bu tür bir etkileşim sınırlıydı ve bu sınırın ötesine geçmek için çok çeşitli çalışmalar yapıldı. Yıllar içerisinde insan-bilgisayar ve insan-makine etkileşimlerini daha sezgisel hâle getirmek amacıyla konuşma, mimik ve hareket gibi diğer iletişim yöntemlerini kullanabilecek teknolojiler geliştirmek için pek çok girişimde bulunuldu. Sonuç olarak ses ya da hareketle bilgisayar ve makinelere komutlar vermek ve onları kullanabilmek günümüz teknolojileri ile mümkün hâle geldi.

Tüm bu olumlu gelişmeler hayatı kolaylaştırmak adına pek çok yeni teknolojiyi beraberinde getirdi. Ancak hâlâ aşılması gereken sınırlar vardı ve insanlar bilgisayar ve makinelerle daha doğrudan, daha hızlı ve daha kolay iletişim kurabilmeliydi.

Bilişsel sinirbilim ve nörolojik görüntüleme teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte insan beyninin bilgisayar ve makinelerle iletişim kurmasının yolu açıldı. Bu gelişmeler sayesinde beyin dalgalarından sensörler aracılığıyla elde edilen verilerin işlenmesiyle harici cihaz ve makinelere istenilen komutları vermek mümkün hâle geldi. Bilim-kurgu kitap ve filmlerde fazlaca yer bulmuş olan insanın biyolojik bedeninin dışındaki cihazları beyni sayesinde kontrol edebilmesi fikri bilimsel gelişmelerle birlikte hızlı bir şekilde kurmaca olmaktan çıkıp gerçeklik hâline gelmeye devam ediyor

Beyin Diliyle Konuşmak

Beyin makine arayüzü olarak da bilinen beyin bilgisayar arayüzü (BBA) sistemleri, (beynin motor fonksiyonlarından bağımsız olarak) beyin mesajlarını harici bir cihaza iletmek için doğrudan bir iletişim yöntemi sağlıyor. Bu arayüzler genellikle bilişsel ve duyusal motor fonksiyonlarını desteklemeye, güçlendirmeye veya onarmaya yönelik olarak kullanılabiliyor. Kullanıcılar beyin aktivitelerini değiştirip dönüştürerek bilgisayar ve makineleri kontrol etmelerini sağlayacak beyin dalgaları üretebiliyorlar.

Daha hızlı ve daha ucuz bilgisayarların üretilmesi, beynin duyusal bilgileri nasıl işlediğinin ve motor çıktısına dönüştürdüğünün daha iyi anlaşılması, beyin sinyallerini kaydetme ve bu sinyalleri işleme yöntemlerinin sayı ve kalite bakımından geliştirilmesi ve daha ulaşılabilir hâle getirilmesi ile makine öğrenmesi alanındaki gelişmeler sayesinde beyin bilgisayar arayüzlerine olan ilgi yıllar geçtikçe arttı. Günümüzde bu arayüzleri inşa etmek için birincil motivasyon insandaki kayıp duyusal ve motor fonksiyonları geri kazandırma potansiyelleri.

Gelişmiş BBA’lar sadece günlük işleri yerine getirme yollarını değiştirmekle kalmıyor aynı zamanda fiziksel engelli bireylerin yaşam kalitelerini de inanılmaz boyutlarda artırıyor. Konuyla ilgili teknolojik gelişmeler yaralanma veya hastalığa bağlı olarak felç geçiren ve konuşma/mimik yoluyla iletişime geçemeyen kişiler için hayli önemli. Günümüzdeki BBA’ların yaygın kullanım örnekleri arasında duyma engelliler için koklear protezler, görme engelliler için retina protezleri ve Parkinson hastaları için derin beyin uyarıcı protezler sayılabilir. Ayrıca ampüteler ve omurilik yaralanmaları geçirmiş kişilerin kol ve bacak protezlerinin beyin sinyalleri ile kontrolünü artırmak amacıyla araştırmalar devam ediyor. ALS ve felç hastaları için beyin aktivitesi ile kontrol edilen imleçler, sözcük yazıcılar ve seslendiriciler ile tekerlekli sandalyeler de beyin bilgisayar arayüzlerinin olası kullanım alanları arasında.

Diğer taraftan, son zamanlarda oyun ve eğlence uygulamalarından robotik beden kontrolü ve eğitim faaliyetlerine kadar farklı alanlarda kullanıma yönelik BBA’larla ilgili araştırmalar yapılıyor. Teknolojinin gelecekte ne kadar yaygınlaşacağı henüz net olarak belli değil. Ancak gelişmeler kaydedildikçe ve kullanım alanları arttıkça ahlaki ve etik boyutların da derinlemesine ele alınması gerekli gözüküyor.

Beyin ve Ötesi

İnsan beyni dünyada başka bir şey ile karşılaştırılamaz. Hakkında hemen hemen her gün yeni bilgiler öğrenmeye devam ettiğimiz oldukça karmaşık bir organ olan beyin vücut ağırlığının ortalama %2’sini oluşturuyor. Yaklaşık 1300-1400 gr ağırlığındaki bu büyüleyici organ duyular yoluyla bilgi almak, aldığı bilgileri işlemek, yorumlamak ve ifade etmek de dâhil olmak üzere tüm vücut fonksiyonlarını kontrol ediyor. Zekâ, yaratıcı düşünce, duygu ve anılar beyin tarafından yönetiliyor. Ayrıca kalbin çalışmasını ve solunum hızını düzenleyerek farklı durumlara nasıl tepki vereceğimizi de belirliyor.

Beyin, gerçekleştirilmesi istenen göreve bağlı olarak vücudun her yerinde bulunan milyonlarca alıcıdan gelen sinyalleri uygun kas hareketlerini uygulayacak komut sinyallerine dönüştürerek vücutta ilgili yerlere iletilmesini sağlıyor. Bu kapalı devre gerçek zamanlı kontrol sistemi, yapay olarak bilim insanlarınca oluşturulan benzer herhangi bir sisteme göre oldukça üstün. Beynin eşsiz bilgi işleme yetenekleri büyük ölçüde paralel ve dağıtılmış hesaplama yönteminden kaynaklanıyor. İşin büyük kısmı

nöron olarak bilinen sinir hücrelerince gerçekleştiriliyor. İnsan vücudunda yaklaşık 86 milyar nöron bulunuyor. Bu nöronlar oldukça karmaşık elektrokimyasal cihazlar ve yüzlerce nörondan aldıkları bilgiyi işleyerek diğer nöronlara iletiyorlar. Milisaniye sürelerinde gerçekleşen bu eşsiz veri akışı, yeni veri girişlerine ve değişen koşullara göre anlık olarak yeniden düzenleniyor.

Nöronlar Konuşur mu?

Beyin sinyallerinin uygun algoritmalarla işlenmesiyle vücut dışında bulunan harici bir cihaz kontrol edilebiliyor. Bunu başarmak için nöronların dilinden anlamak gerekiyor. Bir nöron diğer nöronlardan yeterince güçlü girdiler aldığında bir dizi olay serisi tetikleniyor. İyonların hareketlerine bağlı olarak nöronların elektriksel potansiyel değerlerinde aksiyon potansiyeli de denilen hızlı artış ve düşüşler meydana geliyor. Elektrik potansiyelindeki bu ani artış ve düşüşler nöronlar arasındaki iletişimi temsil ediyor. Bu değişikliklerden elde edilen veriler BBA’lar sayesinde işlenerek bilgisayar ve makinelere iletilmek üzere dijital verilere dönüştürülüyor.

Farklı Beyin Sinyalleri Farklı Anlamlar

Beyin nöral aktiviteler ile birlikte beyin bilgisayar arayüzlerinde kullanılabilecek çeşitli sinyaller üretiyor. Beyin aktivitesine bağlı olarak kaydedilebilen sinyaller frekansa bağlı olarak beş sınıfa ayrılıyor:

Gama Dalgaları: 31-100 Hz aralığındaki bu beyin dalgaları kısa süreli hafıza ve çok boyutlu entegrasyon hâllerinde gözlenir. Yüksek gama aktivitesinin motor görevler için de görüldüğü belirtiliyor.

Beta Dalgaları: 13-30 Hz frekans aralığındaki beta dalgaları alarm durumundaki ve yüksek dikkat hâlindeki kişilerde görülür.

Alfa Dalgaları: 8-13 Hz frekans aralığındaki dalgalardır. Uyanık hâldeki kişide gözleri kapalı ve rahat durumdayken gözlenir. Kişi bir hareket yaptığında veya bir hareket gerçekleştirdiğini hayal ettiğinde bu dalgalarda düşüş veya kaybolma görülür.

Teta Dalgaları: 4-8 Hz frekans aralığına sahip olup çocuk ve yetişkinlerde uyuşukluk ve uyku ile uyanıklık arasındaki hâli temsil eder. Yetişkinlerde yüksek teta seviyeleri anormal olarak kabul edilir.

Delta Dalgaları: 0,5-4 Hz aralığında frekansa sahip delta dalgaları en yüksek genliğe sahip ve en yavaş olan sinyaller. Bebeklerde ve yavaş dalga uykusundaki yetişkinlerde görülür.

Kaynakça: Towardsdatascience, Sciencefocus, Sciencefocus-2, BilimveTeknik, Wikipedia, Nature

The post Beyin Bilgisayar Arayüzleri appeared first on Halil Durmus.