فجر جديد للأطراف الصناعية: المهندسون يضيئون الطريق للأطراف الصناعية التي تعمل بالأعصاب في المستقبل
اكتشف فريق متعدد التخصصات في جامعة نيو ساوث ويلز طريقة لتحويل النبضات العصبية إلى ضوء، مما يمهد الطريق لمزيد من عمليات زرع الدماغ القابلة للتوسع.
ابتكر مهندسو الطب الحيوي والكهرباء بجامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) طريقة جديدة لقياس النشاط العصبي باستخدام الضوء – بدلاً من الكهرباء – مما قد يؤدي إلى إعادة تخيل كامل للتكنولوجيا الطبية مثل واجهات الدماغ والآلة والأطراف الصناعية التي تعمل بالأعصاب.
وفقًا للبروفيسور فرانسوا لادوسور من كلية الهندسة الكهربائية والاتصالات في جامعة نيو ساوث ويلز، أثبت الفريق متعدد التخصصات مؤخرًا في المختبر ما أثبته نظريًا قبل الوباء مباشرة: أجهزة الاستشعار التي تم تطويرها باستخدام الكريستال السائل وتكنولوجيا البصريات المتكاملة – التي يطلق عليها اسم “ optrodes ” – يمكنها اكتشاف الأعصاب النبضات في جسم حيوان حي.
لا يقتصر أداء هذه الأقطاب الكهربية على أداء الأقطاب الكهربائية التقليدية – التي تستخدم الكهرباء للكشف عن النبضات العصبية – ولكنها تعالج أيضًا “القضايا الشائكة جدًا التي لا تستطيع التقنيات المنافسة معالجتها” ، كما يقول البروفيسور لادوسور.
“أولاً، من الصعب جدًا تقليص حجم الواجهة باستخدام أقطاب كهربائية تقليدية بحيث يمكن للآلاف منها الاتصال بآلاف الأعصاب في منطقة صغيرة جدًا. واحدة من المشاكل عندما تقوم بتقليص الآلاف من الأقطاب الكهربائية وتقريبها من بعضها البعض أكثر من أي وقت مضى للاتصال بالأنسجة البيولوجية هي أن مقاومتها الفردية تزداد، مما يقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء لذلك لدينا مشكلة في قراءة الإشارة. نحن نسمي هذا “عدم تطابق المعاوقة”. مشكلة أخرى هي ما نسميه “الحديث المتبادل” – عندما تقوم بتقليص هذه الأقطاب الكهربائية وتقريبها من بعضها البعض، فإنها تبدأ في التحدث إلى بعضها البعض أو تؤثر على بعضها البعض بسبب قربها. “
ومع ذلك، نظرًا لأن optrodes تكتشف الإشارات العصبية باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء، فإن مشكلات عدم تطابق المعاوقة تكون زائدة عن الحاجة، ويتم تقليل الحديث المتبادل إلى الحد الأدنى.
يقول البروفيسور لادوسور: “الميزة الحقيقية لنهجنا هي أنه يمكننا جعل هذا الاتصال كثيفًا للغاية في المجال البصري ولا ندفع الثمن الذي يتعين عليك دفعه في المجال الكهربائي”.
مظاهرة في الجسم الحي
في الآونة الأخيرة، سعى البروفيسور لادوسور وزملاؤه في جامعة نيو ساوث ويلز لإثبات أنه يمكن استخدام optrodes لقياس النبضات العصبية بدقة أثناء تحركها على طول الألياف العصبية في حيوان حي. تم نشر النتائج التي توصلوا إليها مؤخرًا في مجلة الهندسة العصبية.
تضمن فريق البحث الذي سعى لإثبات ذلك في المختبر البروفيسور ساينتا نايجل لوفيل ، مدير معهد مؤسسة تاي للهندسة الصحية ورئيس كلية الدراسات العليا في الهندسة الطبية الحيوية.
يقول إن الفريق ربط optrode بالعصب الوركي لحيوان مخدر. ثم تم تحفيز العصب بتيار صغير وتم تسجيل الإشارات العصبية باستخدام optrode. ثم فعلوا الشيء نفسه باستخدام قطب كهربائي تقليدي ومضخم حيوي.
يقول البروفيسور لوفيل: “لقد أظهرنا أن الاستجابات العصبية كانت متماثلة بشكل أساسي”. “لا يزال هناك المزيد من الضوضاء في البصريات، لكن هذا ليس مفاجئًا نظرًا لأن هذه تقنية جديدة تمامًا، ويمكننا العمل على ذلك. لكن في النهاية، يمكننا تحديد نفس الخصائص عن طريق القياس كهربائيًا أو بصريًا “.
فجر جديد للأطراف الصناعية
حتى الآن، كان الفريق قادرًا على إظهار أن النبضات العصبية – التي تكون ضعيفة نسبيًا ويتم قياسها بالميكروفولت – يمكن تسجيلها باستخدام تقنية optrode. ستكون الخطوة التالية هي زيادة عدد optrodes لتكون قادرة على التعامل مع الشبكات المعقدة من الأنسجة العصبية والمثيرة.
يقول البروفيسور لادوسور في بداية المشروع، سأل زملاؤه أنفسهم، كم عدد الوصلات العصبية التي يحتاجها الرجل أو المرأة لتشغيل يده بدرجة من البراعة؟
“أنه يمكنك التقاط شيء ما، ويمكنك الحكم على الاحتكاك، ويمكنك الضغط فقط على الضغط المناسب لإمساكه، ويمكنك الانتقال من A إلى B بدقة، ويمكنك التحرك بسرعة وببطء – كل هذه الأشياء التي لا نرتديها لا أفكر حتى عندما نقوم بهذه الإجراءات. الإجابة ليست واضحة جدًا، فقد اضطررنا إلى البحث كثيرًا في الأدبيات، لكننا نعتقد أنه يتراوح بين 5000 إلى 10000 اتصال “.
بعبارة أخرى، بين دماغك ويدك، هناك مجموعة من الأعصاب تنتقل من قشرة دماغك وتنقسم في النهاية إلى 5000 إلى 10000 عصب تتحكم في العمليات الدقيقة ليدك.
إذا تمكنت شريحة بها آلاف الوصلات الضوئية من الاتصال بدماغك، أو في مكان ما في الذراع قبل أن تنفصل الحزمة العصبية، فمن المحتمل أن تكون اليد الاصطناعية قادرة على العمل بنفس قدرة اليد البيولوجية.
هذا هو الحلم، على أي حال، ويقول البروفيسور لادوسور إن هناك عقودًا من البحث الإضافي قبل أن يصبح حقيقة واقعة. قد يشمل ذلك تطوير القدرة على أن تكون optrodes ثنائية الاتجاه. لن يقتصر الأمر على تلقيهم وتفسيرهم للإشارات من الدماغ في طريقهم إلى الجسم، ولكن يمكنهم أيضًا تلقي ردود الفعل في شكل نبضات عصبية تعود إلى الدماغ.
اللعبة الطويلة: واجهة بين الدماغ والآلة
الأطراف الصناعية العصبية ليست هي المساحة الوحيدة التي تمتلك تقنية optrode إمكانية إعادة تعريفها. لطالما تخيل البشر دمج التكنولوجيا والآلات في جسم الإنسان إما لإصلاحها أو تحسينها.
أصبح بعضًا من هذا حقيقة واقعة الآن، مثل غرسات القوقعة الصناعية وأجهزة تنظيم ضربات القلب وأجهزة تنظيم ضربات القلب، ناهيك عن الساعات الذكية وأجهزة التتبع الأخرى التي توفر ارتجاعًا بيولوجيًا مستمرًا.
لكن أحد أكثر الأهداف طموحًا في الهندسة الطبية الحيوية وعلم الأعصاب هو واجهة الدماغ والآلة التي تهدف إلى توصيل الدماغ ليس فقط ببقية الجسم ولكن أيضًا بالعالم.
يقول البروفيسور لوفيل: “مجال التفاعل العصبي مجال مثير بشكل لا يصدق وسيكون موضوع بحث وتطوير مكثف خلال العقد المقبل”.
في حين أن هذا يعد خيالًا أكثر من كونه حقيقة في الوقت الحالي، إلا أن هناك العديد من شركات التكنولوجيا الحيوية تأخذ هذا الأمر على محمل الجد. كان رائد الأعمال Elon Musk أحد مؤسسي Neuralink الذي يهدف إلى إنشاء واجهات بين الدماغ والحاسوب مع إمكانية مساعدة الأشخاص المصابين بالشلل وكذلك دمج الذكاء الاصطناعي في أنشطة الدماغ لدينا.
تستخدم طريقة Neuralink أقطابًا سلكية تقليدية في أجهزتها، لذا يجب عليها التغلب على عدم تطابق الممانعة والتداخل – من بين العديد من التحديات الأخرى – إذا أرادوا تطوير أجهزة تستضيف الآلاف، إن لم يكن الملايين، من الوصلات بين الدماغ والجهاز المزروع. تم الإبلاغ مؤخرًا عن إحباط السيد ماسك من الوتيرة البطيئة لتطوير التكنولوجيا.
يقول البروفيسور لادوسور إن الوقت سيحدد ما إذا كانت شركة Neuralink ومنافسيها قد نجحوا في إزالة هذه العقبات. ومع ذلك، نظرًا لأن الأجهزة القابلة للزرع في الجسم الحي التي تلتقط النشاط العصبي مقيدة حاليًا بحوالي 100 أو نحو ذلك من الأقطاب الكهربائية، فلا يزال هناك طريق طويل لنقطعه.
يقول البروفيسور لادوسور: “أنا لا أقول إن هذا مستحيل، لكنه يصبح إشكاليًا حقًا إذا كنت ستلتزم بأقطاب كهربائية قياسية”.
ليس لدينا هذه المشاكل في المجال البصري. في أجهزتنا، إذا كان هناك نشاط عصبي، فإن وجوده يؤثر على اتجاه البلورة السائلة التي يمكننا اكتشافها وقياسها عن طريق تسليط الضوء عليها. هذا يعني أننا لا نستخرج التيار من الأنسجة البيولوجية كما تفعل أقطاب الأسلاك. وبالتالي يمكن إجراء الاستشعار البيولوجي بشكل أكثر كفاءة. “
الآن وقد أظهر الباحثون أن طريقة optrode تعمل في الجسم الحي، فسيقومون قريبًا بنشر بحث يوضح أن تقنية optrode ثنائية الاتجاه – حيث لا يمكنها قراءة الإشارات العصبية فحسب، بل يمكنها أيضًا كتابتها.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
