All Roads Lead to Rome: Resting-State Criticality as a Neurophysiological Marker of Brain-Computer Interface (BCI) Performance in People with Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) and Healthy Participants
यह अध्ययन B-ARC ढांचे का प्रस्ताव करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि मस्तिष्क की क्रिटिकैलिटी (criticality) के रेस्टिंग-स्टेट EEG मार्कर—विशेष रूप से न्यूरोनल एवलांच डायनेमिक्स (neuronal avalanche dynamics), स्पेक्ट्रल स्लोप (spectral slope), और लेम्पल-ज़िव कॉम्प्लेक्सिटी (Lempel-Ziv complexity)—ALS वाले व्यक्तियों और स्वस्थ प्रतिभागियों में आगामी BCI प्रदर्शन के साथ सहसंबंध रखते हैं, जो यह सुझाव देता है कि BCI योग्यता तब अधिकतम होती है जब मस्तिष्क की गतिविधि या तो सबक्रिटिकल (स्वस्थ) या सुपरक्रिटिकल (ALS) रिजीम (regime) से एक क्रिटिकल ऑप्टिमम (critical optimum) की ओर बढ़ती है।
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मानव मस्तिष्क अरबों कोशिकाओं का एक विशाल नेटवर्क है, जो हमारे विचारों, गतिविधियों और जागरूकता को बनाने के लिए लगातार सक्रिय और संचारित होती रहती है। दशकों से, वैज्ञानिक यह जानने के लिए उत्सुक रहे हैं कि क्या कोई विशिष्ट "स्वीट स्पॉट" (अनुकूल बिंदु) है जहाँ यह विद्युत गतिविधि सबसे कुशलता से कार्य करती है। यह विचार, जिसे 'क्रिटिकल ब्रेन हाइपोथीसिस' (क्रांतिक मस्तिष्क परिकल्पना) के रूप में जाना जाता है, यह सुझाव देता है कि मस्तिष्क तब सबसे अच्छा काम करता है जब वह दो चरम सीमाओं के बीच संतुलन बनाता है: एक कठोर व्यवस्था की स्थिति, जहाँ गतिविधि बहुत अनुमानित और धीमी होती है, और अराजक यादृच्छिकता (chaotic randomness) की स्थिति, जहाँ संकेत सुसंगत विचार बनाने के लिए बहुत अधिक अनियंत्रित होते हैं। इस महत्वपूर्ण मध्य मार्ग पर, मस्तिष्क को नई जानकारी के प्रति सबसे संवेदनशील और सबसे जटिल प्रसंस्करण के योग्य माना जाता है। यह संतुलन केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह समझने की कुंजी हो सकता है कि चेतना कैसे कार्य करती है और हम उन लोगों के साथ कैसे संवाद कर सकते हैं जिन्होंने हिलने-डुलने या बोलने की क्षमता खो दी है।
एमियोट्रोफिक लेटरल स्क्लेरोसिस (ALS) वाले व्यक्तियों के लिए, जो मोटर न्यूरॉन्स को नष्ट करने वाली एक प्रगतिशील बीमारी है, शरीर धीरे-धीरे बंद होने लगता है। सबसे गंभीर मामलों में, एक व्यक्ति 'कम्प्लीट लॉक्ड-इन सिंड्रोम' नामक स्थिति में जा सकता है, जहाँ वह पूरी तरह से जागृत और सचेत होता है लेकिन एक भी मांसपेशी, यहाँ तक कि अपनी आँखों को भी हिला नहीं सकता। इन व्यक्तियों के लिए, ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस (BCI) एक जीवन रेखा प्रदान करते हैं। ये उपकरण स्कैल्प से विद्युत संकेतों को पढ़ते हैं और उन्हें कमांड में अनुवादित करते हैं, जिससे एक व्यक्ति बिना हिले-डुले टाइप कर सकता है या अक्षर चुन सकता है। हालाँकि, यह तकनीक अक्सर विफल हो जाती है। कभी-कभी व्यक्ति बहुत थका हुआ होता है, या शायद उनका मस्तिष्क स्पष्ट संकेत भेजने के लिए सही स्थिति में नहीं होता है। शोधकर्ताओं ने लंबे समय से संदेह किया है कि मस्तिष्क की आंतरिक लय उतार-चढ़ाव करती है, जिससे चेतना की संक्षिप्त "खिड़कियाँ" बनती हैं जहाँ संचार संभव है, लेकिन उनके पास संचार करने का प्रयास करने से पहले इन क्षणों का पता लगाने का कोई विश्वसनीय तरीका नहीं था।
एक नए अध्ययन ने यह पता लगाने का प्रयास किया कि कब ALS वाला व्यक्ति ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस का सफलतापूर्वक उपयोग करने में सक्षम होगा। शोधकर्ताओं ने, दो समूहों के साथ काम करते हुए—एक समूह स्वस्थ वयस्कों का और दूसरा ALS वाले लोगों का जो आंशिक या पूरी तरह से लॉक-इन अवस्था में थे—डिवाइस का उपयोग करने के लिए कहने से पहले मस्तिष्क की विश्राम अवस्था की गतिविधि को मापा। उन्होंने विशिष्ट विचारों या कमांडों की तलाश नहीं की। इसके बजाय, उन्होंने यह देखने के लिए मस्तिष्क के कच्चे, स्वतःस्फूर्त विद्युत शोर (spontaneous electrical noise) का परीक्षण किया कि क्या वह व्यवस्था और अराजकता के बीच उस सैद्धांतिक "स्वीट स्पॉट" के पैटर्न का पालन करता है। उन्होंने विश्लेषण किया कि विद्युत संकेत मस्तिष्क में कैसे फैलते हैं, पैटर्न कितने जटिल थे, और संकेतों की ऊर्जा विभिन्न गतियों में कैसे वितरित थी।
परिणामों ने दोनों समूहों के बीच एक चौंकाने वाला अंतर दिखाया, फिर भी दोनों एक ही मंजिल की ओर इशारा कर रहे थे। स्वस्थ प्रतिभागियों के लिए, ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस पर बेहतर प्रदर्शन उस मस्तिष्क गतिविधि से जुड़ा था जो सापेक्ष स्थिरता की स्थिति से उस क्रांतिक मध्य मार्ग की ओर बढ़ रही थी। उनके मस्तिष्क उस आदर्श बिंदु से थोड़े अधिक व्यवस्थित थे, और जैसे-जैसे वे केंद्र की ओर बढ़े, उनकी डिवाइस को नियंत्रित करने की क्षमता में सुधार हुआ। हालाँकि, ALS वाले लोगों ने बिल्कुल विपरीत पैटर्न दिखाया। उनकी विश्राम मस्तिष्क गतिविधि अत्यधिक उत्तेजना (over-excitement) की स्थिति में दिखाई दी, एक ऐसी स्थिति जहाँ संकेत बहुत सक्रिय और अराजक होते हैं। उनके लिए, बेहतर प्रदर्शन तब हुआ जब उनकी मस्तिष्क गतिविधि उस अराजक स्थिति से दूर और वापस क्रांतिक मध्य मार्ग की ओर बढ़ी।
यह निष्कर्ष बताता है कि तकनीक के साथ इंटरफेस करने की मस्तिष्क की क्षमता इस बात पर निर्भर करती है कि वह उस इष्टतम बिंदु के कितने करीब है, चाहे वह रेखा के किसी भी तरफ से शुरू हो रहा हो। शोधकर्ता एक ऐसा ढांचा प्रस्तावित करते हैं जहाँ दोनों समूह प्रदर्शन के एक ही शिखर तक पहुँचने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन वे विपरीत दिशाओं से आ रहे हैं। स्वस्थ प्रतिभागी एक स्थिर, व्यवस्थित पक्ष से ऊपर चढ़ रहे हैं, जबकि ALS वाले लोग एक अति-सक्रिय, अराजक पक्ष से नीचे उतर रहे हैं। जब मस्तिष्क इस केंद्र से बहुत दूर होता है, तो संचार विफल हो जाता है। जब यह केंद्र के करीब होता है, तो यह सफल होता है।
अध्ययन ने मस्तिष्क संकेतों की विशिष्ट प्रकृति को भी देखा। ALS वाले लोगों में, शोधकर्ताओं ने पाया कि मस्तिष्क की विद्युत गतिविधि स्वस्थ लोगों की तुलना में अधिक अराजक और कम संगठित थी, जो उस अति-उत्तेजना का संकेत है जो इस बीमारी में देखी जाती है। जब इन रोगियों की मस्तिष्क गतिविधि थोड़ी अधिक संगठित और कम अराजक हुई, तो उनके स्पेलिंग कार्य (spelling task) में सुधार हुआ। इसके विपरीत, स्वस्थ प्रतिभागियों ने बेहतर प्रदर्शन किया जब उनकी मस्तिष्क गतिविधि थोड़ी कम संगठित और अधिक जटिल हो गई। यह उल्टा संबंध पुष्टि करता है कि दोनों समूह अलग-अलग शारीरिक आधार रेखाओं (baselines) से शुरू कर रहे थे। ALS वाले लोग केवल कार्य में "बुरे" नहीं थे; उनका मस्तिष्क अलग परिस्थितियों में काम कर रहा था जिसके लिए नियंत्रण के समान स्तर तक पहुँचने के लिए एक अलग प्रकार के समायोजन की आवश्यकता थी।
महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं को सफलता की गारंटी देने वाला कोई एक "जादुई नंबर" नहीं मिला। इसके बजाय, उन्होंने कई सत्रों और विभिन्न व्यक्तियों में सुसंगत पैटर्न पाए। इस अध्ययन में प्रतिभागियों की संख्या कम थी, इसलिए ये निष्कर्ष अभी तक प्रत्येक व्यक्ति के लिए एक निश्चित नियम नहीं हैं। हालाँकि, दो अलग-अलग समूहों में परिणामों की निरंतरता यह सुझाव देती है कि यह संबंध वास्तविक है। डेटा इंगित करता है कि मस्तिष्क की विश्राम अवस्था यह बताने का एक शक्तिशाली भविष्यवक्ता है कि कोई व्यक्ति बाद में ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस का कितनी अच्छी तरह उपयोग कर पाएगा।
यह खोज डॉक्टरों और शोधकर्ताओं के लिए एक संभावित नया उपकरण प्रदान करती है। लॉक-इन अवस्था वाले व्यक्ति के अनुमान लगाने के बजाय कि वह कब संवाद करने में सक्षम हो सकता है, वे संभावित रूप से संचार के अवसर की पहचान करने के लिए मस्तिष्क की विश्राम गतिविधि की निगरानी कर सकते हैं। यदि मस्तिष्क अराजक चरम की ओर बढ़ रहा है, तो यह प्रतीक्षा करने का संकेत हो सकता है। यदि यह केंद्र की ओर बढ़ रहा है, तो यह प्रयास करने का सही समय हो सकता है। अध्ययन अभी तक संचार बहाल करने के लिए कोई इलाज या गारंटीकृत विधि प्रदान नहीं करता है, लेकिन यह मस्तिष्क के परिदृश्य का एक स्पष्ट मानचित्र प्रदान करता है। यह दिखाता है कि संचार का मार्ग हर किसी के लिए एक सीधी रेखा नहीं है; कुछ के लिए, इसमें एक तूफान को शांत करना आवश्यक है, और दूसरों के लिए, इसमें बर्तन को हिलाना (stirring the pot) आवश्यक है। दोनों मामलों में, लक्ष्य एक ही है: उस संतुलन को खोजना जहाँ मन बोलने के लिए सबसे अधिक तैयार हो।
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