نوع جدیدی از ایمپلنت مغزی میتواند راه دقیقتری برای مطالعه مغز در اختیار دانشمندان قرار دهد و شاید در نهایت به درمان شرایط عصبی مانند صرع کمک کند.
پژوهشگران دانشگاه فنی دانمارک (DTU)، دانشگاه کپنهاگ، کالج دانشگاهی لندن و سایر نهادها، یک الکترود مغزی بلند و نازکتر از سوزن مجهز به کانالهای میکروسکوپی توسعه دادهاند. این دستگاه که با نام ایمپلنت مغزی میکروفلوئیدی Axialtrode (mAxialtrode) شناخته میشود، به گونهای طراحی شده که نقاط عملکردی متعددی در طول ایمپلنت ارائه دهد. این ویژگی به محققان امکان میدهد تا فعالیت عصبی را ثبت کرده و دارو را به مکانهای مشخصی در بخشهای مختلف مغز تحویل دهند.
یافتههای این پژوهش در مجله Advanced Science منتشر شده است.
ابزار چندمنظوره برای پژوهش مغزی
در حال حاضر، این فناوری عمدتاً به عنوان یک ابزار پژوهشی در نظر گرفته شده است. دانشمندان میتوانند از آن برای بررسی چگونگی عبور سیگنالها از لایههای مختلف مغز در فرآیندهای مرتبط با صرع، حافظه و تصمیمگیری استفاده کنند.
به گفته پژوهشگران، در بلندمدت، mAxialtrode میتواند کاربردهای درمانی نیز داشته باشد. یکی از احتمالات، استفاده از این دستگاه برای تحویل دارو به مکانهای دقیق در حالی است که همزمان تحریک الکتریکی یا نوری بر مناطق انتخابی مغز اعمال میشود.
کونیانگ سوئی، پسادکتری که مفهوم mAxialtrode را همراه با کریستوس مارکوس، استاد دانشیار، توسعه داده است، میگوید یکی از مزایای اصلی این است که قابلیتهای متعدد در یک ایمپلنت واحد ترکیب میشوند. این امر میتواند به محققان اجازه دهد آزمایشهای دقیقتری انجام دهند و نیاز به وارد کردن چندین دستگاه به مغز را کاهش دهد.
«اکثر ایمپلنتهای فعلی مغز بر پایه مواد سخت مانند سیلیکون هستند که میتوانند باعث تحریک مغز و واکنشهای التهابی در بافت شوند. ایمپلنت جدید از این جهت متفاوت است که از فیبرهای نوری پلاستیکی نرم ساخته شده و نوک زاویهدار خاصی دارد که ابعاد آن را کوچکتر کرده و آسیب ناشی از قرارگیری در مغز را کاهش میدهد»، به گفته کونیانگ سوئی.
سوئی هشدار میدهد که این فناوری هنوز فاصله زیادی تا استفاده روتین بالینی دارد. پیش از آنکه بتواند برای درمان بیماران استفاده شود، نیاز به آزمایشهای گسترده، توسعه بیشتر و اخذ مجوزهای نظارتی است.
فراتر رفتن از فیبرهای نوری متعارف
پژوهشگران مغز در بسیاری از آزمایشها در حال حاضر از فیبرهای نوری با انتهای تخت استفاده میکنند. این فیبرهای نازک، ساخته شده از شیشه یا پلاستیک، میتوانند نور را به نواحی عمیق مغز منتقل کنند. این فیبرها اغلب در اپتوژنتیک (Optogenetics)، تکنیکی که در آن سلولهای عصبی خاص با استفاده از نور فعال میشوند، به کار میروند.
با این حال، فیبرهای متعارف محدودیت مهمی دارند. آنها معمولاً فقط در انتهای فیبر با بافت مغز تعامل دارند، به این معنی که محققان تنها میتوانند یک نقطه را در هر زمان تحریک یا پایش کنند.
به بیرونیترین انتها، نوک دیستال (Distal tip) یا «بینی» فیبر گفته میشود. نور فقط از این نقطه ساطع میشود و تماس با بافت مغز نیز تنها در همین محل رخ میدهد. در نتیجه، دانشمندان ممکن است محدود به اندازهگیری یا تحریک یک لایه مغزی در هر زمان باشند، حتی اگر بسیاری از عملکردهای مغزی به ارتباط بین چندین لایه و ساختارهای عمیقتر وابسته باشند.
نحوه عملکرد ایمپلنت مغزی جدید
mAxialtrode نازکتر از سوزن، ابتدا به صورت یک میله پلیمری بسیار بزرگتر شروع میشود. پژوهشگران ماده را گرم کرده و آن را به یک فیبر فوقالعاده نازک میکشند، کاری شبیه به تولید رشتهای بسیار ظریف از شکر، اما با دقتی بسیار بالاتر.
یک هسته رسانای نور از مرکز فیبر عبور میکند. در اطراف آن، هشت کانال میکروسکوپی قرار دارد که میتوانند مایعات را حمل کنند. این کانالها همچنین میتوانند سیمهای فلزی بسیار نازکی را نگه دارند که برای اندازهگیری فعالیت الکتریکی در مغز استفاده میشوند.
فیبر نهایی کمتر از نیم میلیمتر قطر دارد. همچنین بسیار انعطافپذیر است و به جای فشار دادن صلب بافت مغز، همراه با آن حرکت میکند. این تفاوت در سختی ممکن است اهمیت داشته باشد، زیرا ایمپلنتهای سختتر میتوانند هنگام ماندن طولانیمدت در مغز، پاسخهای التهابی را برانگیزند.
آزمایش روی موشهای زنده
پژوهشگران سیستم را نه تنها در آزمایشگاه، بلکه «در بدن زنده» (In vivo)، یعنی روی موشهای زنده نیز آزمایش کردند. الکترود در مغز حیوانات کاشته شد و به منابع نور، تجهیزات ثبت و پمپهای کوچکی که برای تحویل مایعات استفاده میشدند، متصل گردید.
آزمایشها نشان دادند که دستگاه میتواند سلولهای عصبی را با استفاده از هر دو نور آبی و قرمز تحریک کند. همزمان، محققان توانستند فعالیت الکتریکی را از نواحی کمعمق و عمیقتر مغز، از جمله قشر مخ و هیپوکامپ، ثبت کنند.
آنها همچنین توانستند مواد مختلف را در عمقهای جداگانه تزریق کنند، با نقاط تحویل که تقریباً سه میلیمتر از هم فاصله داشتند. تمام این اندازهگیریها و اشکال تحریک تنها با استفاده از یک فیبر سبک وزن انجام شد که موشها بدون هیچ نشانه واضحی از ناراحتی آن را حمل میکردند.
کاربردهای بالقوه در صرع و علوم اعصاب
آزمایشهای در بدن زنده و اعتبارسنجی نوروفیزیولوژیک با همکاری نزدیک با روونه دبلیو برگ، استاد دانشیار دانشگاه کپنهاگ و راب سی. وایکس، استاد دانشیار کالج دانشگاهی لندن، انجام شد. مشارکتهای آنها شامل تخصص در تحلیل مدارهای عصبی و مدلهای مرتبط با صرع بود.
تیم پژوهشی اکنون در حال تلاش برای ثبت اختراع فناوری پشت الکترود مغزی است. دانشمندان همچنین در حال بررسی الزامات لازم برای آغاز آزمایش دستگاه روی بیماران در محیط بالینی هستند.