تكاپو برای ساخت ایمپلنت‌های مغزی تزریق‌شدنی

الكترودهای سختی كه برای درمان بیماری پاركینسون و فلج وارد مغز می‌شوند، به بافت نرم مغز آسیب می‌زنند. اما اختراعی جدید می‌تواند این وضعیت را تغییر دهد.در جهان ما صدها هزار سایبورگ زندگی می‌كنند؛ یعنی موجودی كه هم اجزای ارگانیك و هم اجزای مكانیكی دارد .

برخی از آن‌ها بیماران مبتلا به پاركینسون هستند كه می‌توانند با فعال‌كردن الكترودهای فلزی كاشته‌شده در اعماق مغزشان رعشه‌های خود را متوقف كنند. برخی دیگر كه البته تعدادشان بسیار كمتر است، افراد كاملا فلجی هستند كه به لطف ایمپلنت‌های خود، می‌توانند اندام‌های رباتیك را به كمك ذهنشان حركت دهند .

چنین فناوری‌هایی می‌توانند كیفیت زندگی افراد را به شدت بهبود دهند. اما آن‌ها مشكلی اساسی دارند: فلز و مغز به‌خوبی با هم كنار نمی‌آیند. مغز دارای بافت ژله‌مانند است و اگر خیلی محكم به آن فشار وارد كنید، به شكل توده‌های شكننده از هم می‌پاشد .

وارد كردن سیم به مغز، عملی خشونت‌آمیز است. مگنوس برگرن، استاد الكترونیك ارگانیك در دانشگاه لینشوپینگ سوئد می‌گوید: «این كار مانند چسباندن چاقو به بافت است.»موضوع بدتر این‌ است كه درحالی‌كه الكترودها در جای خود نسبتا ثابت می‌مانند، مغز تكان می‌خورد و اطراف الكترودها جا‌به‌جا می‌شود و موجب جراحت بیشتری می‌شود .

بدن در واكنش به این اتفاق، بافت زخم تشكیل می‌دهد. بافت زخم به‌تدریج الكترودها را از نورون‌هایی كه قرار است فعالیت آن‌ها را ثبت یا تحریك كند، جدا می‌كند.به دلیل تشكیل بافت زخم، آرایه‌های یوتا (دستگاه‌های ریز برس‌مانندی كه در مغز افراد فلج كاشته می‌شوند) معمولا پس از حدود پنج سال برداشته می‌شوند و بیمارانی كه برای مدتی توانایی حركت و صحبت كردن را به دست آورده بودند، دوباره خاموش و بی‌حركت می‌شوند .

دانشمندان حداقل از دهه ۱۹۵۰ به آسیب گسترده‌ای كه الكترودها می‌توانند به بار بیاورند، پی برده بودند. نسل‌های زیادی از مهندسان با ساخت دستگاه‌های كوچك‌تر و انعطاف‌پذیرتر سعی كرده‌اند این مشكل را حل كنند، اما هنوز كاستی‌هایی وجود دارد .

روش خوبی برای وارد كردن الكترود انعطاف‌پذیر به اعماق مغز وجود ندارد و حتی زمانی كه الكترودها در سطح مغز قرار داده می‌شود، ممكن است در دوره‌های زمانی طولانی به‌خوبی عمل نكنند.اما به گزارش وایرد، برگرن و همكارانش فكر می‌كنند كه ممكن است راه‌حلی را پیدا كرده باشند .

آن‌ها به‌جای ساختن الكترود در خارج از مغز و سپس تلاش برای كاشت آن، ژلی را طراحی كرده‌اند كه وقتی به بافت بدن تزریق می‌شود، به شكل پلیمر رسانای الكتریكی سخت می‌شود. این فرایند ازاین‌نظر به ریختن فلز مذاب در قالب بی‌شباهت نیست، اما این تفاوت را دارد كه ژل ظاهرا بی‌ضرر است و وقتی الكترود تشكیل شود، به اندازه بافت مغزی كه اطراف آن قرار دارد، نرم و متحرك است .

پژوهشگران نتایج خود را ماه فوریه در مجله ساینس منتشر كردند. آن‌ها اكنون ماده‌ی خود را در گورخرماهی‌های زنده و زالوهای مرده آزمایش كرده‌اند. در هر دو مورد، الكترودهایی تشكیل شد كه می‌توانستند با موفقیت جریان را منتقل كنند .

الكترودها بی‌خطر به‌نظر می‌رسیدند: گورخرماهی پس از پمپ‌شدن ماده به سرش با خوشحالی در اطراف شنا می‌كرد و وقتی دانشمندان ماهی را كشتند و از مغز او برش تهیه كردند، هیچ جای زخمی را ندیدند. حتی نورون‌هایی كه به‌طور كامل درون الكترودها جای گرفته بودند، سالم به‌نظر می‌رسیدند .

بااین‌حال انسان‌ها موجودات متفاوتی هستند و برگرن براساس تجربیات خود می‌داند آن‌چه در یك موجود زنده جوابگو است، همیشه در موجود دیگر كارآمد نیست.برگرن كار خود را با تلاش برای استفاده از مولكولی شروع كرد كه قبلا برای تشكیل پلیمر در گیاهان آن را طراحی كرده بود .

اما وقتی سعی كرد از این مولكول در حیوانات استفاده كند، اتفاقی نیفتاد. او می‌گوید: «سال اول پروژه شكست كامل بود.»درنهایت، زنوفون استراكوساس، استادیاری كه در آزمایشگاه برگرن كار می‌كند، مشكل را كشف كرد: در گیاهان، هیدروژن پراكسید به پیوند ماده تزریق‌شده كمك می‌كرد، اما در حیوانات هیدروژن پراكسید كافی وجود ندارد تا این واكنش رخ دهد .

بنابراین، استراكوساس عناصر دیگری را به تركیب اضافه كرد: آنزیمی كه از گلوگز یا لاكتات كه در بافت‌های حیوانی فراوان است، برای تولید پراكسید استفاده می‌كند و آنزیمی دیگری كه پراكسید را تجزیه می‌كند. به ناگهان، الكترودها به‌طور كامل تشكیل شدند .

برای كارشناسانی مانند ماریا آسپلوند، استاد میكروتكنولوژی بیوالكترونیك در دانشگاه فناوری چالمرز سوئد، ایده ساختن الكترودها درون بدن ایده كاملا جدیدی است. او می‌گوید: «شیمیدان‌ها می‌توانند كارهای باورنكردنی انجام دهند .

» اما آسپلوند كه بیش از یك دهه روی ساخت الكترودهای سازگار با مغز كار كرده است، هنوز قصد ندارد روش‌های آزمایش‌شده خود برای ایجاد الكترود را كنار بگذارد. یكی از دلایل آن است كه ابزار جدید هنوز در پستانداران آزمایش نشده است و كسی نمی‌داند كه چقدر در بدن دوام می‌آورد .

موضوع مهم‌تر اینكه، اگرچه الكترودها ممكن است بتوانند سیگنال‌های الكتریكی را هدایت كنند، برگرن و همكارانش راه‌حلی برای خارج‌كردن سیگنال‌ها از مغز یا ارسال جریان به خارج از مغز ندارند تا دانشمندان بتوانند سیگنال‌ها را مشاهده كنند یا اینكه الكترودها بتوانند برای تحریك مغز مورد استفاده قرار گیرند .

البته آن‌ها چندین گزینه دارند. یكی این است كه سیم عایقی را مستقیما به الكترودها بچسبانند تا سیگنال‌ها را از اعماق مغز به سطح جمجمه، یعنی جایی كه دانشمندان می‌توانند آن را اندازه‌گیری كنند، منتقل كند. اما سیم می‌تواند به بافت مغز آسیب بزند و این دقیقا همان چیزی است كه تیم در تلاش است از آن اجتناب كند .

درعوض، پژوهشگران ممكن است سعی كنند اجزای دیگری را طراحی كنند كه مانند الكترود بتواند درون مغز به‌طور خودبه‌خود تشكیل شود، به‌طوری‌كه سیگنال را بتوان به شكل بی‌سیم از خارج از مغز خواند.اگر برگرن و همكارانش نحوره ارتباط با الكترودها را كشف كنند، همچنان برای رقابت با دستگاه‌های پشرفته‌ای مانند نوروپیكسل كه می‌تواند به‌طور همزمان فعالیت صدها نورون را ثبت كند، مشكل خواهد داشت .

جاكوب رابینسون، دانشیار مهندسی الكتریك و برق در دانشگاه رایس در تگزاس می‌گوید دستیابی به این درجه از دقت با الكترودهای نرم می‌تواند دشوار باشد. او می‌گوید معمولا بین عملكرد و تهاجمی‌بودن بده‌بستانی وجود دارد .

چالشی كه وجود دارد، عبور از این محدودیت‌ها است.حداقل برای شروع، تحریك مغز ممكن است كاربرد بهتری برای الكترودهای نرم باشد، زیرا به دقت زیاد نیازی ندارد. آرون باتیستا، استاد مهندسی زیستی در دانشگاه پیتزبورگ كه روی رابط‌های مغز و كامپیوتر در میمون‌ها مطالعه می‌كند، می‌گوید حتی ثبت‌های غیردقیق می‌تواند برای افرادی كه كاملا فلج هستند، مفید باشد .

الكترودهای نرم ممكن است نتوانند با اندازه‌گیری مستقیم سیگنال‌های مغز گفتار روان تولید كنند، اما برای بیمارانی كه اصلا نمی‌توانند حركت كنند، توانایی ارتباط برقرار كردن با استفاده از بله و خیر می‌تواند تفاوت زیادی ایجاد كند .

با‌این‌حال، الكترودهای پلیمری فقط نسخه ایمن‌تر و غیردقیق‌تر از الكترودهای مرسوم نیستند. ازآن‌جا كه آن‌ها در حضور مواد خاصی تشكیل می‌شوند، می‌توان از آن‌ها برای هدف قرار دادن بخش‌هایی از مغز كه ویژگی‌های شیمیایی خاصی دارد، استفاده كرد .

برگرن و استراكوساس قصد دارند دستوارالعمل خود را طوری اصلاح كنند كه ژل فقط در برخی نواحی از مغز سفت شود كه لاكتات زیادی دردسترس است، یعنی مناطقی كه بسیار فعال هستند. آن‌ها با استفاده از این استراتژی، می‌توانند به‌طورخاص ناحیه‌ای از مغز را هدف قرار دهند كه تشنج‌های فرد از آن‌جا منشا می‌گیرد .

این گروه پژوهشی به‌زودی روش خود را در موش‌های صرعی‌شده آزمایش خواهند كرد.پژوهشگران همچنین می‌توانند ماده‌ای بسازند كه از گلوكز یا لاكتات استفاده نمی‌كند، بلكه برای كمك به شكل‌گیری الكترود، از مواد دیگری نظیر انتقال‌دهنده عصبی خاصی استفاده می‌كند .

به‌این‌ترتیب، الكترودها فقط در بخش‌هایی از مغز تشكیل خواهند شد كه مقدار آن ناقل عصبی خاص در آن‌جا بالا است. این امر به دانشمندان علوم اعصاب اجازه می‌دهد تا به‌طور دقیق قسمت‌های خاصی از مغز را هدف قرار دهند .

اگر برگرن و تیمش بتوانند بر موانع علمی پیش روی خود غلبه كند، باید درنهایت بتوانند مجوز استفاده از این فناوری را در محیط‌های پزشكی بگیرند. نمی‌توان پیش‌بینی كرد كه گرفتن مجوز خصوصا برای ماده جدید چقدر طول می‌كشد .

اما باتیستا بر این باور است كه این كشف می‌تواند نویدبخش عصر جدیدی در فناوری الكترود باشد كه سرانجام تحقق پیدا خواهد كرد. او می‌گوید: «نمی‌توانم مطمئن باشم كسی كه امروزه زندگی می‌كند، بتواند ایمپلنت عصبی الكترونیكی انعطاف‌پذیر را دریافت كند .