تلاش برای ایمپلنت های مغزی تزریقی آغاز شده است

در این پست از سایت bloginoo به بررسی ایمپلنت های مغزی تزریقی پرداخته ایم.

الکترود های سختی که برای درمان پارکینسون و فلج وارد مغز می شوند به بافت نرم اندام آسیب می رسانند. یک اختراع جدید می تواند آن را تغییر دهد.

جهان ما توسط صد ها هزار سایبورگ پر شده است. برخی از بیماران پارکینسونی هستند که می توانند با فعال کردن الکترود های فلزی که در اعماق مغزشان کاشته شده است، لرزش خود را متوقف کنند. برخی دیگر البته بسیار کمتر افراد کاملاً فلج هستند که می توانند اندام های روباتیک را با ذهن خود به لطف کاشت های خود حرکت دهند. چنین فناوری هایی می توانند کیفیت زندگی افراد را به شدت بهبود بخشند. اما آنها یک مشکل اساسی دارند : فلز و مغز بسیار بسیار ضعیف با هم کنار می آیند.

مغز ها بافت Jell-O را دارند آنها را خیلی محکم فشار دهید و به صورت توده های شکننده از هم جدا می شوند. کاوش کردن مغز با سیم، خشونت دارد. مگنوس برگرن، استاد الکترونیک آلی در دانشگاه لینشوپینگ سوئد، می‌گوید : این مانند چسباندن چاقو به بافت است.

بدتر از آن، در حالی که الکترودها نسبتاً در جای خود ثابت می مانند، مغز تکان می خورد و در اطراف آنها جابجا می شود و باعث آسیب بیشتر می شود. بدن با تشکیل بافت اسکار پاسخ می دهد، که به تدریج الکترود را از نورون هایی که قرار است ضبط یا تحریک کند جدا می کند. به دلیل جای زخم، آرایه‌ های یوتا دستگاه‌ های ریز و شبیه برس مو که در مغز افراد فلج کاشته می‌شوند معمولاً بعد از حدود پنج سال برداشته می‌شوند و بیمارانی که توانایی حرکت یا صحبت کردن را دوباره به دست آورده‌اند، ساکت و بی‌ حرکت می‌شوند.

دانشمندان حداقل از دهه 1950 به آسیب های گسترده ای که الکترودها می توانند ایجاد کنند، پی برده اند. نسل‌ های زیادی از مهندسان برای حل این مشکل با ساخت دستگاه‌ های کوچک‌ تر و انعطاف‌ پذیرتر تلاش کرده‌اند، اما اینها کاستی‌ های خاص خود را دارند. هیچ راه خوبی برای وارد کردن یک الکترود انعطاف پذیر به عمق مغز وجود ندارد، و حتی زمانی که در سطح مغز قرار می گیرد، چنین الکترود هایی ممکن است در دوره های زمانی طولانی به خوبی عمل نکنند.

اما برگرن و همکارانش فکر می کنند که ممکن است راه حلی را ارائه کرده باشند. آنها به جای ساختن الکترود در خارج از مغز و تلاش برای کاشت آن، ژلی طراحی کرده اند که وقتی به بافت بدن تزریق می شود، در یک پلیمر رسانای الکتریکی جامد می شود. این فرآیند بر خلاف ریختن فلز مذاب در قالب نیست، به جز اینکه ژل ظاهراً بی ضرر است و الکترود، پس از تشکیل، به اندازه بافت مغز اطراف آن نرم و متحرک است.

این تیم نتایج خود را در ماه فوریه در مجله Science منتشر کرد. تا کنون، آنها این ماده را در ماهی های گورخری زنده و زالو های مرده آزمایش کرده اند در هر دو مورد، الکترود هایی تشکیل شده است که می توانند با موفقیت جریان را حمل کنند. و الکترود ها بی خطر به نظر می رسند : ماهی گورخر پس از پمپاژ ماده به سرشان با خوشحالی در اطراف شنا می کردند، و زمانی که دانشمندان ماهی را کشتند و مغز آنها را تکه تکه کردند، هیچ جای زخمی ندیدند. حتی نورون هایی که به طور کامل در الکترود ها جاسازی شده بودند سالم به نظر می رسیدند.

با این حال، انسان ها جانوران بسیار متفاوتی هستند، و برگرن به تجربه می داند که آنچه در یک موجود زنده کار می کند همیشه در موجود دیگر کار نمی کند. برای این پروژه، او با تلاش برای استفاده از مولکولی که قبلا طراحی کرده بود برای تشکیل یک پلیمر رسانا در گیاهان شروع کرد. اما وقتی سعی کرد از این مولکول در حیوانات استفاده کند، هیچ اتفاقی نیفتاد. او می گوید : سال اول این پروژه یک شکست کامل بود.

در نهایت، Xenofon Strakosas، استادیار شاغل در آزمایشگاه Berggren، مشکل را کشف کرد : در گیاهان، پراکسید هیدروژن به پیوند مواد تزریق شده کمک می‌کند، اما در حیوانات پراکسید کافی برای عملکرد واکنش وجود ندارد. بنابراین Strakosas برخی از عناصر اضافی را به ترکیب اضافه کرد : آنزیمی که از گلوکز یا لاکتات، که در بافت‌ های حیوانی رایج هستند، برای تولید پراکسید استفاده می‌کند و آنزیم دیگری که پراکسید را تجزیه می‌کند. ناگهان الکترود ها کاملاً شکل گرفتند.

برای کارشناسانی مانند ماریا آسپلوند، استاد میکروفنولوژی بیوالکترونیک در دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد، ایده جعل الکترود در داخل بدن کاملاً جدید است. او می‌گوید : شیمی‌ دان‌ ها می‌توانند چیز هایی را رقم بزنند که من هرگز تصور نمی‌کردم. اما آسپلوند که بیش از یک دهه برای ایجاد الکترود های سازگارتر با مغز کار کرده است، هنوز قصد ندارد روش‌ های آزمایش‌ شده‌ اش را برای ایجاد الکترود کنار بگذارد. به عنوان مثال، این ابزار جدید روی پستانداران آزمایش نشده است و هیچ کس نمی داند چقدر در بدن دوام می آورد. مهمتر از همه، اگرچه الکترود ها ممکن است قادر به انجام موفقیت آمیز سیگنال های الکتریکی باشند، برگرن و همکارانش راه حلی برای خارج کردن این سیگنال ها از مغز ندارند تا دانشمندان بتوانند واقعاً آنها را ببینند، یا برای ارسال جریان تا الکترودها بتوانند برای تحریک مغز استفاده شود.

آنها تعدادی گزینه دارند. یکی این است که یک سیم عایق را مستقیماً به الکترود بچسبانید تا سیگنال های آن را از اعماق مغز به سطح جمجمه منتقل کند، جایی که دانشمندان می توانند آنها را اندازه گیری کنند. با این حال، این سیم می تواند به بافت مغز آسیب برساند، که دقیقاً همان چیزی است که تیم تلاش می کند از آن جلوگیری کند. در عوض، آنها ممکن است سعی کنند اجزای دیگری را طراحی کنند که مانند الکترود، بتوانند در مغز خود جمع شوند، به طوری که یک سیگنال به صورت بی سیم از بیرون خوانده شود.

اگر برگرن و همکارانش بفهمند که چگونه با الکترود های خود ارتباط برقرار کنند، آنها همچنان برای رقابت با دستگاه های پیشرفته مانند نورو پیکسل ها که می توانند از صدها نورون به طور همزمان ضبط کنند، مبارزه خواهند کرد. جاکوب رابینسون، دانشیار مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه رایس در تگزاس، می گوید که دستیابی به این درجه از دقت با یک الکترود نرم می تواند دشوار باشد. او می‌گوید : معمولاً بین عملکرد و تهاجمی معاوضه‌ ای وجود دارد. چالش مهندسی فشار دادن آن پاکت است.

حداقل برای شروع، تحریک مغز ممکن است کاربرد بهتری برای الکترود های نرم باشد، زیرا نیازی به دقیق بودن ندارد. آرون باتیستا، استاد مهندسی زیستی در دانشگاه پیتسبورگ که در مورد رابط های مغز و کامپیوتر در میمون ها تحقیق می کند، می گوید و حتی ضبط های نادقیق نیز می تواند برای افرادی که کاملاً فلج هستند مفید باشد. الکترود های نرم ممکن است با اندازه‌ گیری مستقیم سیگنال‌ های مغزی قادر به تولید گفتار روان نباشند. اما برای بیمارانی که اصلاً نمیتوانند حرکت کنند، به سادگی قادر به انتقال «بله» یا «نه» تفاوت زیادی ایجاد می‌کند.

با این حال، الکترود های پلیمری فقط نسخه ایمن تر و آشفته تر از الکترود های سنتی نیستند. از آنجا که آنها فقط در حضور مواد خاصی تشکیل می شوند، می توان از آنها برای هدف قرار دادن بخش هایی از مغز با مشخصات شیمیایی خاص استفاده کرد. Berggren و Strakosas قصد دارند دستور العمل خود را طوری تنظیم کنند که ژل فقط در مناطقی از مغز که لاکتات زیادی در دسترس است جامد شود. یعنی مناطقی که بسیار فعال هستند. با استفاده از این استراتژی، آن‌ ها می‌توانند به‌طور خاص ناحیه‌ ای از مغز را که در آن تشنج‌ های فرد شروع می‌شود، مورد هدف قرار دهند. آنها به زودی این رویکرد را در موش های مبتلا به صرع آزمایش خواهند کرد. در اصل، آنها همچنین می‌توانند ماده‌ای بسازند که از گلوکز یا لاکتات استفاده نمی‌کند، بلکه از مواد دیگری برای کمک به شکل‌ گیری الکترود استفاده می‌کند. برای مثال یک انتقال‌ دهنده عصبی خاص. به این ترتیب، الکترود ها فقط در قسمت‌ هایی از مغز قرار میگیرند که دارای آن انتقال‌ دهنده عصبی خاص هستند، که به دانشمندان علوم اعصاب اجازه میدهد تا مناطق خاصی از مغز را دقیقاً هدف قرار دهند.

اگر برگرن و تیمش موفق به غلبه بر موانع علمی پیش روی خود شوند، وظیفه نهایی آنها این خواهد بود که در انبوه مقرراتی که دستگاه‌ هایی را که در محیط‌ های پزشکی استفاده می‌شوند، کنترل کنند. غیر ممکن است که پیش‌ بینی کنیم که چقدر طول می‌کشد، به خصوص برای یک ماده جدید. اما باتیستا با این وجود فکر میکند که این کشف نوید دهنده عصر جدیدی در فناوری الکترود است، مهم نیست که چقدر دور باشد.

او می‌گوید : من نمیتوانم مطمئن باشم که کسی که امروز زندگی می‌کند، یک ایمپلنت عصبی الکترونیکی انعطاف‌ پذیر دریافت کند. اما اکنون به نظر محتمل است که روزی کسی این کار را انجام دهد.