عصب‌ها را فراموش کنید؛ ابداع تراشه‌ای که به وسیله نور مستقیماً با مغز حرف می‌زند

پژوهشگران دانشگاه Northwestern موفق به توسعه یک تراشه مغزی شده‌اند که با استفاده از پالس‌های نوری، اطلاعات را مستقیماً به مغز مخابره می‌کند. این فناوری که مسیرهای حسی طبیعی بدن را دور می‌زند، پتانسیل بالایی برای بازیابی حواس از دست رفته، ایجاد بازخورد حسی برای اندام‌های مصنوعی و درمان‌های نوین عصبی بدون نیاز به جراحی‌های تهاجمی عمیق دارد.

دانشمندان دانشگاه Northwestern از یک دستگاه بی‌سیم رونمایی کردند که از نور برای ارسال اطلاعات به طور مستقیم به مغز استفاده می‌کند. این فناوری با دور زدن مسیرهای حسی طبیعی بدن مانند چشم یا گوش، راهکار جدیدی برای تعامل با سیستم عصبی ارائه می‌دهد.

یکی از بزرگ‌‌ترین مزیت‌های این دستگاه آن است که برخلاف نمونه‌های رایج که نیاز به نفوذ به بافت مغز دارند، در زیر پوست سر و روی جمجمه قرار می‌گیرد و مکانیزم عملکرد آن بر پایه ارسال الگوهای نوری از طریق استخوان جمجمه برای فعال‌سازی نورون‌ها در لایه بیرونی (قِشر) مغز استوار است.

آزمایش موفقیت‌آمیز روی مدل‌های حیوانی

در جریان آزمایش‌های صورت گرفته، محققان از این دستگاه برای فعال‌سازی گروه‌های خاصی از نورون‌ها در عمق مغز موش‌های آزمایشگاهی استفاده کردند. این نورون‌ها پیش‌تر به صورت ژنتیکی اصلاح شده بودند تا به نور پاسخ دهند.

یافته‌ها نشان داد که موش‌ها به سرعت یاد گرفتند الگوهای نوری ارسال شده را به عنوان سیگنال‌های معنادار تفسیر کنند. حتی بدون دخالت حواس لامسه، بینایی یا شنوایی، حیوانات اطلاعات لازم برای تصمیم‌گیری را دریافت کرده و تکالیف رفتاری خود را با موفقیت انجام دادند.

یوگنیا کوزوروتسکی (Yevgenia Kozorovitskiy)، نوروبیولوژیست و سرپرست بخش تجربی این پژوهش می‌گوید:

مغز ما دائماً فعالیت‌های الکتریکی را به تجربیات تبدیل می‌کند و این فناوری راهی برای ورود مستقیم به این فرآیند است. این پلتفرم به ما اجازه می‌دهد سیگنال‌های کاملاً جدیدی خلق کنیم و ببینیم مغز چگونه یاد می‌گیرد از آن‌ها استفاده کند.

طراحی و ویژگی‌های فنی

جان ای. راجرز (John A. Rogers)، از پیشگامان حوزه الکترونیک زیستی که توسعه فنی این دستگاه را رهبری کرده، توضیح می‌دهد که ساخت این ابزار نیازمند بازنگری در نحوه تحریک مغز بود تا کمترین تهاجم ممکن را داشته باشد.

این سیستم شامل یک آرایه منطبق با فرم سر متشکل از ۶۴ میکرو LED است که هر کدام به اندازه یک تار موی انسان هستند. این دستگاه به صورت بی‌سیم تغذیه و کنترل می‌شود و دانشمندان می‌توانند آن را در به صورت Real Time برنامه‌ریزی کنند. راجرز می‌افزاید:

این ابزار نشان‌دهنده گامی مهم در ساخت دستگاه‌هایی است که می‌توانند بدون نیاز به سیم‌های دست‌وپاگیر یا سخت‌افزارهای خارجی سنگین، با مغز ارتباط برقرار کنند.

نسخه جدید نسبت به مدل ۲۰۲۱ که تنها یک میکرو LED داشت، پیشرفت قابل‌توجهی داشته است. آرایه جدید امکان تولید الگوهای پیچیده‌ای را فراهم می‌کند که شباهت بیشتری به فعالیت‌های طبیعی مغز دارد.

مینگ‌ژنگ وو (Mingzheng Wu)، نویسنده اول مقاله، اشاره می‌کند که با استفاده از این آرایه ۶۴ تایی، تعداد الگوهایی که می‌توان با ترکیب فرکانس، شدت و توالی زمانی ایجاد کرد، تقریباً نامحدود است.

کاربردهای درمانی بالقوه

اگرچه این فناوری هنوز در مراحل تحقیقاتی است، اما پتانسیل بالایی برای کاربردهای پزشکی دارد. از جمله کاربردهای مطرح شده برای این تراشه مغزی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ایجاد بازخورد حسی برای اندام مصنوعی: ارسال حس لامسه یا فشار از دست مصنوعی به مغز.
• پروتزهای بینایی و شنوایی: جایگزینی گیرنده‌های حسی آسیب‌دیده با سیگنال‌های مستقیم نوری به قشر مغز.
• مدیریت درد: تعدیل درک درد بدون نیاز به داروهای افیونی.
• توانبخشی: کمک به بهبود بیماران پس از سکته مغزی یا آسیب‌های عصبی.

تیم تحقیقاتی اکنون قصد دارد الگوهای پیچیده‌تری را آزمایش کند تا دریابد مغز تا چه حد قادر به یادگیری و تفکیک الگوهای متمایز است. نسخه‌های آینده ممکن است شامل LEDهای بیشتر با فواصل کمتر و طول موج‌هایی باشد که نفوذ عمیق‌تری به بافت مغز دارند.

نتایج این پژوهش در مجله علمی Nature Neuroscience منتشر شده است.