کاوشگرهای سه‌بعدی که مسافران آینده مغز انسان هستند

به گزارش ایسنا، گروهی از پژوهشگران با استفاده از یک هنر ژاپنی برش کاغذ به نام «کریگامی»، کاوشگرهای عصبی ساخته‌اند و تلاش می‌کنند با به کار بردن چندین الکترود که هر سه بعد را در یک دستگاه پوشش می‌دهند، آنها را با پیچیدگی مغز سازگار کنند.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، تمایل به درک پیچیدگی مغز انسان، علوم اعصاب را به یکی از سریع‌ترین حوزه‌های روبه‌رشد علم تبدیل کرده است. شاید جای تعجب نباشد که نقشه‌برداری از ساختار پیچیده مغز ما و عملکرد عصبی نواحی گوناگون آن و شناسایی مشکلات مربوط به این عملکرد، کاری پیچیده و چالش‌برانگیز است.

این کار با استفاده از رابط‌های عصبی-الکترونیکی شامل آرایه‌های میکروالکترود انجام می‌شود. آرایه‌های میکروالکترود را می‌توان در مطالعه نورون‌های برون‌تنی و درون‌تنی به کار گرفت. بنابراین، این ایمپلنت‌ها می‌توانند هم به عنوان یک پل بین سیستم عصبی و سیستم‌های الکترونیکی بیرونی عمل کنند و هم به ثبت و تحریک فعالیت عصبی بپردازند. آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی را می‌توان به عنوان رابط‌های مغز-ماشین نیز مورد استفاده قرار داد که نه تنها سیگنال‌های مغزی را می‌خوانند، بلکه سیگنال‌ها را به عقب می‌فرستند تا به درک بهتر نحوه عملکرد مغز، مطالعه اختلالات عصبی یا حتی توسعه درمان‌های مبتنی بر تحریک الکتریکی کمک کنند.

«ویویانا رینکون مونتس»(Viviana Rincón Montes)، پژوهشگر «مرکز پژوهشی یولیش»(Jülich Research Center) گفت: دستگاه ما به دلیل طراحی سه‌بعدی خود، ویژگی‌های دو فناوری را در یک دستگاه ترکیب می‌کند. این دستگاه می‌تواند سیگنال‌های مغزی را هم از سطح و هم از لایه‌های عمیق‌تر بافت مغز ثبت کند.

«ماری یونگ»(Marie Jung) از پژوهشگران این پروژه گفت: آرایه‌هایی که الکترودها را در خود جای داده‌اند، بسیار کوچک هستند و ضخامت آنها تنها به ۵۰ میکرومتر می‌رسد. برای درک بهتر توجه داشته باشید که ضخامت یک تار موی انسان به طور میانگین ​​حدود ۷۵ میکرومتر است.

یونگ گفت: طراحی قالب ما به ما امکان می‌دهد که کاوشگر انعطاف‌پذیر را به صورت دستی زیر میکروسکوپ تا کنیم و شکل دهیم. این کار مانند تنظیم یک قفل است که قطعات آن کاملا در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. هر بار که یک کاوشگر را تا می‌کنم، از سادگی و سرعت این روش شگفت‌زده می‌شوم.

یونگ خاطرنشان کرد که برخلاف برخی دیگر از روش‌های دیگر، روش آنها از فرآیندهای تولید خطرناک یا خشن استفاده نمی‌کند. در عوض، پژوهشگران از یک فرآیند شکل‌دهی مکانیکی استفاده کردند که یک طرح دوبعدی مسطح را بین دو قالب منطبق قرار می‌داد و سپس فشار و گرما اعمال می‌کرد. این کار یک ورق انعطاف‌پذیر نازک‌تر از کاغذ را به یک ساختار کاملا سه‌بعدی در مقیاس میکرومتر تبدیل کرد. یونگ افزود: این فرآیند به همه آرایه‌های مجهز به الکترود امکان می‌دهد تا هم‌زمان در حالت عمودی تا شوند. این ویژگی به ما امکان می‌دهد تا حداکثر ۱۲۸ آرایه را به طور هم‌زمان، سریع و قابل اعتماد تا کنیم.

پژوهشگران آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی خود را در چندین مرحله آزمایش کردند. آنها ابتدا آرایه‌ها را روی مدل‌های آزمایشگاهی و سپس در آزمایش‌های درون‌تنی مورد بررسی قرار دادند. مونتس گفت: ما ابتدا آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی را در شرایط آزمایشگاهی کنترل‌شده بررسی کردیم. این کار شامل آزمایش خواص مکانیکی مواد، ارزیابی قابلیت اطمینان فرآیند تا شدن با استفاده از بررسی نوری و تأیید عملکرد دستگاه‌ها از طریق آزمایش‌های الکتروشیمیایی بود. همچنین، ما بررسی کردیم که آیا می‌توان دستگاه‌ها را در مواد شبیه به مغز قرار داد تا مناسب بودن آنها برای استفاده در بافت عصبی ارزیابی شود. علاوه بر این، ما آزمایش‌هایی را تحت پیری تسریع‌شده انجام دادیم تا ببینیم دستگاه‌ها چه مدت می‌توانند در شرایط بدن زنده بمانند.

مونتس ادامه داد: در مرحله بعد، ما به سراغ نمونه‌های بیولوژیکی واقعی از جمله برش‌های مغز انسان رفتیم که از بافت قشر مغز اهدایی بیماران مبتلا به صرع تحت عمل جراحی و قشر مغز جوندگان زنده به دست آمده بودند. در این آزمایش‌ها، انواع گوناگونی از تحریک را برای ثبت انواع سیگنال‌های عصبی اعمال کردیم. برای برش‌های مغز انسان، ترکیب شیمیایی مایع اطراف را تغییر دادیم تا فعالیت شبیه به صرع را تحریک کنیم. در جوندگان، ما هم محرک‌های لمسی و هم محرک‌های بصری را اعمال کردیم. این آزمایش‌ها به ما امکان دادند تا طیف گسترده‌ای از سیگنال‌های مغزی را ثبت کنیم و ببینیم که چگونه واکنش‌ها در لایه‌های گوناگون مغز تغییر می‌یابند.

پژوهشگران دریافتند که از نظر تولید، روش آنها پس از مرحله تا شدن ۹۸ درصد و پس از مراحل نهایی پردازش مانند افزودن پوشش الکترود و بسته‌بندی ۸۰ درصد موفقیت دارد. اگرچه فرآیند تا کردن در حال حاضر به صورت دستی با تراز کردن ورق دوبعدی و فشار دادن با دست انجام می‌شود، اما آنها انتظار دارند که این میزان موفقیت با خودکارسازی و استفاده از روش‌هایی مانند «سیستم‌های برداشت و گذاشت» یا «میکرومانیپولاتورها»(Micromanipulators) بهبود یابد.

مونتس خاطرنشان کرد که ممکن است هنوز مدتی طول بکشد تا آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی مانند نمونه آزمایشی در مراقبت‌های بهداشتی دنیای واقعی به کار گرفته شوند.

این پژوهش در «TBA Journal» به چاپ رسید.