مهندسان زیست پزشکی و برق در دانشگاه نیوساوث‌ولز سیدنی روش جدیدی را برای اندازه‌گیری فعالیت عصبی با استفاده از نور – به جای الکتریسیته – ایجاد کرده‌اند که می‌تواند منجر به بازبینی کامل فناوریهای پزشکی مانند پروتزهای عصبی و رابط‌های مغز و ماشین شود. با مجله فناوریهای توان‌افزا و پوشیدنی همراه باشید.
پروفسورFrançois Ladouceur، از دانشکده مهندسی برق و مخابرات دانشگاه نیوساوت‌ولز (UNSW) سیدنی، می‌گوید گروهی چند رشته‌ای به تازگی آنچه را که به صورت تئوری، کمی پیش از همه‌گیری ثابت کرده بودند را در آزمایشگاه نشان دادند: حسگرهایی که با استفاده از کریستال مایع و فناوریهای اپتیک ساخته و “optrode” نامیده می‌شوند، می‌توانند تکانه‌های عصبی در بدن یک موجود زنده را ثبت کنند.
پروفسور Ladouceur می‌گوید این اپترودها نه تنها به خوبی الکترودهای معمولی – که از الکتریسیته برای تشخیص تکانه عصبی استفاده می‌کنند – عمل می‌کنند، بلکه به «مسائل بسیار پیچیده‌ای می‌پردازند که فناوریهای رقیب نمی‌توانند آنها را برطرف کنند».
در ابتدا، کوچک کردن اندازه رابط با استفاده از الکترودهای معمولی بسیار دشوار است تا هزاران عدد از آنها بتوانند به هزاران عصب در یک منطقه بسیار کوچک متصل شوند. زمانی که شما هزاران الکترود را کوچک می‌کنید و آنها را برای اتصال به بافت‌های بیولوژیکی به هم نزدیک‌تر می‌کنید، یکی از مشکلات این است که مقاومت فردی آنها افزایش می‌یابد، که نسبت سیگنال به نویز را کاهش میدهد، بنابراین در خواندن سیگنال با مشکل مواجه می‌شویم. این “عدم تطابق امپدانس” نامیده می‌شود.
مشکل دیگر چیزی است که ما آن را “crosstalk” می‌نامیم – وقتی این الکترودها را منقبض و آنها را به هم نزدیک می‌کنید، به دلیل نزدیکی روی یکدیگر تأثیر می‌گذارند.
اما از آنجایی که اپترودها از نور و نه الکتریسیته برای تشخیص سیگنال‌های عصبی استفاده می‌کنند، مشکل عدم تطابق امپدانس و تداخل به حداقل می‌رسد.
اپترود در عمل
در پژوهشی که به تازگی در مجله مهندسی عصبی منتشر شد، پروفسور Ladouceur و همکارانش در UNSW می‌خواستند نشان دهند که می‌توانند از اپترودها برای اندازه‌گیری دقیق تکانه‌های عصبی در یک حیوان زنده استفاده کنند.
پروفسور Nigel Lovell، که دانش‌آموخته مهندسی زیست پزشکی و مدیر مؤسسه مهندسی بهداشت و درمان بنیاد Tyree است، بخشی از این گروه پژوهشی بود که به دنبال نشان دادن این موضوع در آزمایشگاه بودند.
او می‌گوید که این گروه یک اپترود را به عصب سیاتیک یک حیوان بیهوش متصل کردند. سپس عصب با یک جریان کوچک تحریک شد و سیگنال‌های عصبی با optrode ثبت شد. سپس آنها همین کار را با استفاده از یک الکترود معمولی و یک تقویت کننده زیستی انجام دادند.
پروفسور Lovell می‌گوید: «ما نشان دادیم که پاسخ‌های عصبی یکسان هستند. نویز بیشتری در اپتیکال وجود دارد، اما با توجه به اینکه این فناوری جدید است، تعجب آور نیست، و ما می‌توانیم روی آن کار کنیم. اما در نهایت، ما می‌توانیم همان ویژگی‌ها را با اندازه‌گیری الکتریکی یا نوری شناسایی کنیم».
طلوع جدید برای پروتزها
تاکنون این گروه توانسته نشان دهد تکانه‌های عصبی – که به نسبت ضعیف هستند و با میکروولت اندازه‌گیری می‌شوند – می‌توانند توسط فناوری اپترود ثبت شوند. گام بعدی افزایش تعداد اپترودها برای توانایی مدیریت شبکه‌های پیچیده از بافت عصبی و تحریک‌پذیر خواهد بود.
پروفسور Ladouceur می‌گوید در ابتدای پروژه، همکارانش از خود پرسیدند، یک مرد یا زن برای کار کردن با دست به چند اتصال عصبی نیاز دارد؟ به عبارت دیگر، بین مغز و دست شما دسته‌ای از اعصاب وجود دارد که از قشر مغز شما به پایین حرکت می‌کند و در نهایت به ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ عصب تقسیم می‌شود که عملیات ظریف دست شما را کنترل می‌کند.
اگر یک تراشه با هزاران اتصال نوری بتواند به مغز شما یا جایی در بازو پیش از جدا شدن دسته عصبی متصل شود، یک دست مصنوعی می‌تواند با همان توانایی یک دست طبیعی عمل کند.
به هر حال این یک رؤیا است و پروفسور Ladouceur معتقد است به حدود چندین دهه پژوهش بیشتر پیش از تحقق آن نیاز است. این شامل توسعه توانایی دو جهته بودن اپترودها می‌شود. آنها نه تنها سیگنال‌های مغز را در مسیر رسیدن به بدن دریافت و تفسیر می‌کنند، بلکه می‌توانند بازخوردی را به شکل تکانه‌های عصبی به مغز ارسال کنند.
کاربرد در رابط های مغز و ماشین
پروتزهای عصبی تنها فضایی نیستند که فناوری اپترود پتانسیل بازتعریف آن را دارد. انسان‌ها مدت‌هاست در مورد ادغام فناوری و ماشین‌آلات خیال‌پردازی کرده‌اند تا بدن انسان را ترمیم یا تقویت کنند. برخی از این‌ها اکنون به واقعیت تبدیل شده است، مانند ایمپلنت حلزونی، ضربان‌سازها و دفیبریلاتورهای قلبی.
اما یکی از اهداف بلندپروازانه‌تر در مهندسی زیست پزشکی و علوم اعصاب، رابط مغز و ماشین است که هدف آن اتصال مغز نه تنها به بقیه بدن، بلکه به جهان است.
پروفسور Lovell می‌گوید: «رابط عصبی یک زمینه فوق‌العاده هیجان‌انگیز است و در دهه آینده موضوع تحقیق و توسعه بیشتر خواهد بود».
در حالی که در حال حاضر این بیشتر تخیلی است تا واقعیت، بسیاری از شرکت‌های زیست فناوری این موضوع را بسیار جدی می‌گیرند. ایلان ماسک یکی از بنیانگذاران Neuralink است که هدف آن ایجاد رابط‌های مغز و رایانه برای کمک به افراد فلج و همچنین گنجاندن هوش مصنوعی در فعالیت‌های مغزی ما است.
رویکرد Neuralink از الکترودهای سیمی معمولی در دستگاه‌های خود استفاده می‌کند، بنابراین باید بر عدم تطابق امپدانس و تداخل – در میان بسیاری از چالش‌های دیگر – غلبه کند، اگر بخواهند دستگاه‌هایی را ایجاد کنند که میزبان هزاران، و شاید میلیون‌ها، اتصال بین مغز و دستگاه کاشته‌شده باشند. به تازگی گزارش شده است که آقای ماسک از سرعت کم در توسعه این فناوری ناامید شده است.
پروفسور Ladouceur می‌گوید زمان نشان خواهد داد آیا Neuralink و رقبای آن موفق به رفع این موانع می‌شوند یا خیر. با این حال، با توجه به اینکه دستگاه‌های قابل کاشت و in vivo که فعالیت عصبی را ثبت می‌کنند، در حال حاضر به حدود ۱۰۰ الکترود محدود شده‌اند، هنوز راه بسیاری در پیش است.
پروفسور Ladouceur می‌گوید: «من نمی‌گویم غیرممکن است، اما اگر بخواهید به الکترودهای استاندارد پایبند باشید، واقعاً مشکل‌ساز می‌شود».
ما این مشکلات را در حوزه نوری نداریم. در دستگاه‌های ما، اگر فعالیت عصبی وجود داشته باشد، وجود آن بر جهت‌گیری کریستال مایع تأثیر می‌گذارد که می‌توانیم با تابش نور به آن، آن را تشخیص دهیم و اندازه بگیریم. مانند الکترودهای سیمی، جریان را از بافت‌های بیولوژیکی استخراج می‌کند و بنابراین حس زیستی را می‌توان بسیار کارآمدتر انجام داد.
اکنون که پژوهشگران نشان داده‌اند که روش اپترود در داخل بدن کار می‌کند، به زودی پژوهش‌هایی را منتشر خواهند کرد که نشان میدهد فناوری اپترود دو طرفه است، که نه تنها می‌تواند سیگنال‌های عصبی را بخواند، بلکه می‌تواند آنها را نیز بنویسد.
>> فناوری به افراد قطع عضو اجازه میدهد با ذهن خود بازوی رباتیک را کنترل کنند
>> تسکین بیماران قطع عضو دیابتی با پروتزهای رباتیک مبتنی بر ریزسیال
منبع: medicalxpress.com
«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان‌افزا و پوشیدنی) مجاز است»
