11 دقیقه
پژوهشگران دانشگاه Northwestern یک ایمپلنت نرم و بیسیم ساختهاند که با استفاده از جرقهها و الگوهای نور، با مغز ارتباط برقرار میکند. با پروجکت کردن دنبالههای برنامهپذیر از میکرو-الایدیها از میان جمجمه، این دستگاه حیوانات آزمایشی را آموزش میدهد تا آن الگوهای نور را بهعنوان سیگنالهای جدید و معنادار که تصمیمگیری و رفتار را هدایت میکنند، بپذیرند.
این دستگاه نازک، انعطافپذیر و بیسیم در کنار یک سکه برای مقیاس قرار گرفته است. دستگاه الگوهای پیچیدهای از نور منتشر میکند (که در اینجا بهصورت حرف «N» نمایش داده شده) تا اطلاعات را مستقیماً به مغز منتقل کند.
How light becomes a new sense: the device and the idea
اپتوژنِتیکس — روش حساسسازی نورونها به نور — تحول بزرگی در علوم اعصاب ایجاد کرده است، اما تا همین اواخر وابسته به فیبرهای نوری سفت و سخت و سختافزار حجیم بود که رفتار طبیعی را محدود میکرد. این ایمپلنت جدید آن ایده را بازاندیشی میکند. این سیستم شامل آرایهای نرم و تطبیقپذیر از میکرو-الایدیها است که زیر پوست سر و روی جمجمه قرار میگیرد، بدون سیم برق تغذیه میشود و در زمان واقعی قابل برنامهریزی است. بهجای انتقال نور از طریق پروبهای کاشتهشده در بافت، این سیستم نور قرمز الگودار را از میان استخوان جمجمه عبور میدهد تا نورونهای قشری حساسشده ژنتیکی را در نواحی وسیع فعال کند.
جان ای. راجرز، که لابراتوار او سختافزار را توسعه داده است، میگوید: “ما سیستمی طراحی کردیم که میتواند الگوهای پیچیده و پخششدهای تولید کند که مغز طی تجربیات حسی واقعی انتظار دارد.” این آرایه — به کوچکی یک تمبر پستی و نازکتر از یک کارت اعتباری — میتواند تا 64 میکرو-الایدی قابل دسترسی مجزا داشته باشد که هر کدام کوچکتر از یک موی انساناند. نرمافزار، فرکانس، شدت و ترتیبهای زمانی را کنترل میکند و مجموعهای نزدیک به بینهایت از کدهای نوری ایجاد میکند که مغز میتواند یاد بگیرد آنها را تفسیر کند. در توسعه این سیستم روی قابلیتهای مهندسی مواد و طراحی الکترونیک کممصرف تمرکز شده است تا قابلیت اطمینان و دوام برای آزمایشهای بلندمدت فراهم شود.
From flashes to behavior: training animals on artificial codes
در آزمایشهای آزمایشگاهی، موشهایی که بهصورت ژنتیکی برای بیان کانالهای حساس به نور در نورونهای قشر مغز مهندسی شده بودند، آموزش دیدند تا دنبالههای نور مشخصی را تشخیص دهند. ایمپلنت انفجارهایی از نور را در چهار ناحیه قشری منتشر میکرد و الگویی متمایز شکل میگرفت که مانند یک پیام کدشده عمل میکرد. حیوانات آموختند آن الگو را با پاداش مرتبط کنند و زمانی که دنباله هدف را شناسایی میکردند، با اطمینان به پورت پاداش درست هدایت میشدند.
ایوگنیا کوزورویتسکی، نوروبیولوژیست، اشاره کرد: “آنها قادر به گفتن احساسشان به ما نیستند، بنابراین انتخابهایشان نشاندهنده درک آنهاست.” آزمایشهای تکراری نشان داد موشها میتوانند الگوی هدف را از میان بسیاری از الگوهای پرتکننده متمایز کنند، که اثبات میکند مغزها میتوانند این ورودیهای مصنوعی و بیسیم را بهعنوان اطلاعات معنادار بپذیرند — بهعبارت دیگر، خواندن نور بهعنوان یک کانال حسی جدید ممکن شد. این نتیجه نشاندهنده انعطافپذیری پلاستیسیتی قشر مغز است، بهویژه در نحوه آموختن و نگهداری نمادهای زمانی-مکانی جدید.
در یکی از نمایشها، مهندسان دستگاه را طوری برنامهریزی کردند که الگوهای نوری را به ترتیب یک بازی تتریس نمایش دهد. این الگوهای پیچیده نور اطلاعات را مستقیماً به مغز میفرستند — بدون عبور از مسیرهای حسی طبیعی بدن. چنین نمایشهایی نهفقط نشاندهنده توانایی کدگذاری اطلاعات پیچیده، بلکه پتانسیل بالقوه برای رمزنگاری ورودیهای چندبعدی مانند موقعیت، شدت و توالی زمانی را نیز نشان میدهند. تکرار این نوع نمایشها به پژوهشگران امکان داد تا ببینند چگونه مغز میتواند الگوهای همزمان و پخششده را همزمان رمزگشایی کند.
Why this matters: implications for neural interfaces and neuroprosthetics
این پیشرفت بیش از یک کنجکاوی آزمایشگاهی است. اگر تحریک قشری الگودهیشده بتواند بهطور قابلاعتمادی یاد گرفته و استفاده شود، مسیرهای متعددی برای کاربردهای بالینی و فناورانه باز میکند:
- بازخور پروتزی عصبی: اندامهای مصنوعی برای داشتن حس طبیعی به بازخورد حسی نیاز دارند. کدهای نوری الگودهیشده میتوانند پیامهای لمسی مصنوعی یا حس موقعیتی (پروپریوسپشن) را مستقیم به قشر منتقل کنند تا کنترل پروتز طبیعیتر شود.
- بازگرداندن حواس از دسترفته: برای بیمارانی که مسیرهای حسیشان بهطور شدید آسیب دیده است، تحریک نوری قشری میتواند کانالهای جایگزینی برای اطلاعات شنوایی یا بینایی فراهم کند و در ترکیب با روشهای بازآموزی عصبی، عملکرد حسی را بازیابی کند.
- کنترل درد و توانبخشی: تعدیل غیر دارویی مدارهای قشری میتواند به کنترل درد، افزایش پلاستیسیتی پس از سکته یا بازیابی عملکردهای حرکتی کمک کند و از وابستگی به داروهای مسکن بکاهد.
- رابطهای مغز-کامپیوتر (BCI): تحریک بیسیم چندکاناله دامنه کاری BCIs را برای نوشتن اطلاعات به مغز گسترش میدهد و ارتباط دوطرفه غنیتری بین دستگاهها و بافت عصبی ایجاد میکند؛ چیزی که در نهایت میتواند دستگاههای کمکی را طبیعیتر و کارآمدتر کند.
Scientific background: building on optogenetics and soft bioelectronics
این دستگاه جدید مرحله بعدیِ تحولی است که اپتوژنتیک را با مواد پیشرفته ترکیب کرده است. آزمایشهای اولیه اپتوژنتیک از فیبرهای نوری متصل استفاده میکردند که حرکت را محدود میساخت. در سال 2021، تیمهای مرتبط با Northwestern یک دستگاه کاملاً ایمپلنتشدنی و بدون باتری را معرفی کردند که توانایی کنترل نور در یک نقطه را داشت. آرایه کنونی آن قابلیت را چند برابر کرده است: با ترکیب میکرو-الایدیها در نواحی قشری، اکنون صدها یا هزارها الگوهای مکانی-زمانی متمایز قابلدستیابی است.
از آنجایی که ادراک طبیعی شبکههای پخششده را فعال میکند تا نقاط منفرد، پژوهشگران بر تحریک الگودهیشدهای تأکید کردند که دینامیکهای قشری دنیای واقعی را شبیهسازی کند. طول موجهای قرمز انتخاب شدند زیرا نفوذپذیری بیشتری در برابر جمجمه و بافت دارند و اجازه میدهند تحریک از سطح جمجمه انجام شود بهجای وارد کردن پروبهای عمیق. این رویکرد تهاجم را کاهش میدهد در حالی که پوشش قشری وسیع را حفظ میکند. همچنین، استفاده از مواد نرم و تطبیقپذیر مانند سیلیکونهای زیستسازگار و لایههای محافظتی نازک نظیر پاریلن (parylene) یا پلیایمید به کاهش پاسخ ایمنی و ارتقای سازگاری طولانیمدت کمک میکند.
Technical and ethical considerations
چالشهای فنی کلیدی هنوز باقی ماندهاند. کار کنونی بر موشهایی مبتنی است که نورونهایشان بهصورت ژنتیکی حساس شدهاند؛ ترجمه این رویکرد به انسان مستلزم استراتژیهای جایگزین برای حساسسازی نورونها است، همراه با آزمایشهای ایمنی سختگیرانه درباره دوز نوری، اثرات گرمایی و زیستسازگاری بلندمدت. سیستم تغذیه بیسیم و قابلیت برنامهریزی زمانواقعی خطر عفونت و خطرات مربوط به سیمکشی را کاهش میدهد، اما کاشت مزمن نیازمند پوششدهی دقیق دستگاه و مواد مقاومی است که بتوانند سالها حرکت قشر مغز را تحمل کنند.
سؤالات اخلاقی به همان اندازه مهماند. ارسال سیگنالهای دلخواه به مغز مسائل مربوط به اختیار، رضایت و تغییرات ناخواسته در ادراک یا رفتار را مطرح میکند. هرگونه راهاندازی بالینی باید مزایا — بازگرداندن احساس، کاهش درد، کارآیی بهتر پروتزها — را در برابر ریسکها متعادل کند و نظارت قانونی و اخلاقی قوی را تضمین نماید. تعیین چارچوبهای شفاف برای رضایت آگاهانه، حریم خصوصی عصبی، و بررسیهای مستقل، از پیششرطهای پذیرش بالینی خواهد بود.
What the experiments showed: key discoveries
این مطالعه که در تاریخ 8 دسامبر در Nature Neuroscience منتشر شد، چندین نتیجه ملموس را نشان داد:
- موشها یاد گرفتند تحریک الگودهیشده میکرو-الایدی از طریق جمجمه را بهعنوان سیگنالهای اطلاعاتی متمایز تفسیر کنند و از آنها برای هدایت رفتار استفاده کنند.
- یک سیستم آرایهای برنامهپذیر با 64 میکرو-الایدی الگوهای فعالسازی قشری پیچیدهتری نسبت به تحریک تکنقطهای تولید کرد و پهنای باند اطلاعاتی بالقوه را افزایش داد.
- طراحی نرم زیر پوست سر تحریک را بدون دخالت قابلمشاهده در رفتارهای طبیعی فراهم ساخت — مزیتی مهم برای مطالعات واقعگرایانهتر و بلندمدت.
این یافتهها نشان میدهند که تحریکهای زمانی-مکانی پخششده میتوانند سطح اطلاعات قابلانتقال را بهشکلی افزایش دهند که برای کارکردهای حسی مصنوعی و بازخورد پروتزی مفید باشد. علاوه بر این، فقدان اختلال آشکار در رفتار طبیعی نشان میدهد که دستگاهها میتوانند در شرایط آزمایشی و بالقوه بالینی با حداقل بار اضافی بر حیوان یا بیمار عمل کنند.
Next steps: scaling patterns, coverage and wavelengths
پژوهشگران قصد دارند بررسی کنند که مغز تا چه اندازه میتواند الگوهای متمایز را بهطور قابلاعتماد یاد گرفته و نگهداری کند، تعداد LEDها و پوشش قشری را افزایش دهند، فاصله بین LEDها را برای دستیابی به رزولوشن مکانی دقیقتر کاهش دهند، و طول موجهای اضافی را برای دسترسی به ساختارهای عمیقتر مغز آزمایش کنند. آنها همچنین الگوریتمهایی برای رمزگذاری اطلاعات شبیهحسی در دنبالههای نوری توسعه خواهند داد تا قشر بتواند سریع و دقیق آن را تفسیر کند. از منظر مهندسی، بهینهسازی مصرف انرژی، کاهش تولید گرما و توسعه پروتکلهای ایمن دوز نوری از اولویتها خواهند بود.
Expert Insight
«این کار مرزهای سنتی بین احساس و تحریک را به چالش میکشد»، دکتر لیلا گومز، متخصص فرضی در مهندسی عصبی، میگوید. «اگر مغز قادر باشد الگوهای دلخواه را رمزگشایی کند، نگرش ما نسبت به بازگرداندن عملکردها تغییر میکند: همیشه لازم نیست مسیرهای آسیبدیده را ترمیم کنید — میتوان کانالی جایگزین فراهم کرد که مغز یاد میگیرد از آن استفاده کند. البته، ترجمه این رویکرد به انسان نیازمند ابزارهای مولکولی جدید یا روشهای مکمل الکتریکی خواهد بود تا نورونها را بهصورت پایدار و ایمن حساس نماید.»
Broader context: how this links to brain-computer interfaces
رابطهای مغز-کامپیوتر معاصر معمولاً بر خواندن سیگنالهای عصبی متمرکزند — رمزگشایی نیّت برای کنترل اشارهگرها، رباتها یا اندامهای مصنوعی. این پژوهش جهت مخالف را تقویت میکند: نوشتن پیامهای ساختیافته به قشر. ترکیب نوشتن و خواندن نوید BCIs دوطرفه را میدهد که هم نیت را حس میکنند و هم بازخورد مرتبط را فراهم میسازند، حلقهای را میبندند که میتواند دستگاههای کمکی را طبیعیتر و مؤثرتر کند.
Real-world scenarios
تصور کنید شخصی که با سیگنالهای عصبی یک بازوی رباتیک را کنترل میکند، همزمان بازخورد قشری الگودهیشدهای دریافت میکند که موقعیت تماس و فشار را منتقل میسازد. یا شبیهسازی یک کاشت حلزونی که اعصاب شنوایی آسیبدیده را دور میزند و اطلاعات را بهصورت کدهای نوری قشری به مغز میرساند. این سناریوها هنوز دور هستند، اما اکنون بهواسطه این کار مفاهیم آنها واقعگرایانهتر و قابل بحث شدهاند.
What researchers said
ایوگنیا کوزورویتسکی این پلتفرم را «راهی برای اتصال مستقیم به اینکه چگونه فعالیت الکتریکی تبدیل به تجربه میشود» توصیف کرد. جان ای. راجرز بر چالش طراحی برای ارائه تحریک الگودهیشده در قالبی کمتهاجمی و کاملاً ایمپلنتشدنی تأکید داشت. عضو پسادکترا مینگژنگ وو اشاره کرد که حرکت از یک میکرو-الایدی تکی به یک آرایه 64 عنصری فضای ترکیبی الگوهای ممکن — فرکانس، شدت و زمانبندی — را بهطور چشمگیری افزایش میدهد و امکان ایجاد کدهای غنی و قابلتفسیر را فراهم میسازد.
با پیشرفت این حوزه، تلاشهای مشترک میان علوم اعصاب، علوم مواد، اخلاق و پزشکی بالینی برای ترجمه تحریک قشری الگودهیشده از موشها به درمانهای معنادار انسانی ضروری خواهد بود. همچنین نیاز به استانداردهای دقیق آزمایشی، آزمایشهای بالینی کنترلشده و چارچوبهای نظارتی شفاف وجود دارد تا ایمنی و اثربخشی تضمین شود.
منبع: scitechdaily
نظرات
دیتاپالس
وای.. این یعنی میتونن حس جدید بسازن؟ فوق العاده و در عین حال ترسناک، احتمالا سوالای اخلاقی زیادی پیش میاد
ارسال نظر