نوشته دانشگاه نورث وسترن، ۱۱ دسامبر ۲۰۲۵، دستگاه نور مغزی بیسیم -این دستگاه نازک، انعطافپذیر و بیسیم، از نظر مقیاس، در کنار یک سکه یک چهارمی قرار میگیرد. این دستگاه الگوهای پیچیدهای از نور که در اینجا به صورت “N” نشان داده شده است را برای انتقال مستقیم اطلاعات به مغز منتشر میکند. منبع: مینگژنگ وو، دانشگاه نورث وسترن
دانشمندان یک ایمپلنت بیسیم نرم ایجاد کردهاند که از فلشهای کوچک نور برای ارسال اطلاعات مستقیماً به مغز استفاده میکند و به حیوانات اجازه میدهد سیگنالهای مصنوعی کاملاً جدیدی را یاد بگیرند. این سیستم با روشن کردن الگوهای خاص در سراسر قشر مغز، به مغز میآموزد که این فلشها را به عنوان نشانههای معناداری که تصمیمات و رفتار را هدایت میکنند، تفسیر کند.
محققان دانشگاه نورث وسترن با ایجاد یک دستگاه بیسیم که از نور برای انتقال مستقیم اطلاعات به مغز استفاده میکند، پیشرفت بزرگی در نوروبیولوژی و بیوالکترونیک ارائه دادهاند. این رویکرد در مسیرهای حسی سنتی بدن حرکت میکند و در عوض مستقیماً با نورونها تعامل دارد.
این سیستم نرم و انعطافپذیر است و در حالی که روی جمجمه قرار میگیرد، زیر پوست سر قرار میگیرد. از این موقعیت، میتواند الگوهای نوری برنامهریزیشدهای را از طریق استخوان ساطع کند تا نورونها را در نواحی وسیعی از قشر مغز تحریک کند.
در طول آزمایش، دانشمندان از انفجارهای کوچک نور الگودار برای فعال کردن گروههای خاصی از نورونها در مدلهای موش استفاده کردند. (این نورونها از نظر ژنتیکی برای پاسخ به نور اصلاح شدهاند.) موشها به سرعت یاد گرفتند که الگوهای نوری خاص، نشانههای معناداری را نشان میدهند و از آنها برای هدایت رفتار استفاده کردند. اگرچه هیچ حس طبیعی درگیر نبود، حیوانات از این سیگنالهای مصنوعی برای تصمیمگیری و تکمیل چالشهای رفتاری استفاده کردند.
محققان پتانسیل گستردهای را برای این رویکرد میبینند. در نهایت میتواند با ارائه بازخورد حسی از اندامهای مصنوعی پشتیبانی کند، انواع جدیدی از ورودی مصنوعی را برای دستگاههای شنوایی یا بینایی آینده ارائه دهد، به مدیریت درد بدون دارو کمک کند، بهبودی پس از آسیب یا سکته مغزی را افزایش دهد و حتی از اندامهای رباتیک کنترلشده توسط مغز پشتیبانی کند.
این مطالعه در ۸ دسامبر در Nature Neuroscience منتشر شد.
یوگنیا کوزوروویتسکی، متخصص نوروبیولوژی دانشگاه نورث وسترن و سرپرست این کار تجربی، گفت: «مغز ما دائماً فعالیت الکتریکی را به تجربیات تبدیل میکند و این فناوری راهی را برای ما فراهم میکند تا مستقیماً به این فرآیند دسترسی پیدا کنیم.» «این پلتفرم به ما اجازه میدهد سیگنالهای کاملاً جدیدی ایجاد کنیم و ببینیم مغز چگونه یاد میگیرد از آنها استفاده کند. این فناوری ما را کمی به بازیابی حواس از دست رفته پس از آسیبها یا بیماری نزدیکتر میکند و در عین حال دریچهای به اصول اساسی که به ما امکان درک جهان را میدهد، میگشاید.»
جان ای. راجرز، پیشگام بیوالکترونیک دانشگاه نورث وسترن و رهبر توسعه این فناوری، گفت: «توسعه این دستگاه نیازمند بازنگری در نحوه ارائه تحریک الگودار به مغز در قالبی بود که هم کم تهاجمی و هم کاملاً قابل کاشت باشد.» «با ادغام یک آرایه نرم و انعطافپذیر از میکرو الایدیها – هر کدام به کوچکی یک تار موی انسان – با یک ماژول کنترل بیسیم، سیستمی ایجاد کردیم که میتواند در زمان واقعی برنامهریزی شود و در عین حال کاملاً زیر پوست باقی بماند، بدون هیچ گونه تأثیر قابل اندازهگیری بر رفتارهای طبیعی حیوانات. این نشان دهنده یک گام مهم به جلو در ساخت دستگاههایی است که میتوانند بدون نیاز به سیمهای سنگین یا سختافزار خارجی حجیم با مغز ارتباط برقرار کنند. این فناوری هم در کوتاه مدت برای تحقیقات علوم اعصاب پایه و هم در درازمدت برای پرداختن به چالشهای سلامتی در انسان ارزشمند است.»
کوزوروویتسکی دارای کرسی استادی ایروینگ ام. کلوتز در رشته نوروبیولوژی در کالج هنر و علوم واینبرگ دانشگاه نورث وسترن است و عضو موسسه شیمی فرآیندهای زندگی است. راجرز به عنوان استاد علوم و مهندسی مواد، مهندسی زیست پزشکی و جراحی مغز و اعصاب لویی سیمپسون و کیمبرلی کوئری در دانشکده مهندسی مک کورمیک و دانشکده پزشکی فاینبرگ فعالیت میکند. او همچنین مدیریت موسسه بیوالکترونیک کوئری سیمپسون را بر عهده دارد. نویسنده اول این مطالعه، مینگ ژنگ وو، محقق پسادکترا است.
این پروژه در ادامه کار قبلی کوزوروویتسکی و راجرز است که در آن اولین دستگاه کاملاً قابل کاشت، قابل برنامهریزی، بیسیم و بدون باتری را که قادر به کنترل نورونها با نور بود، ایجاد کردند. این سیستم قبلی که در سال 2021 در مجله Nature Neuroscience منتشر شد، از یک کاوشگر میکرو الایدی برای تأثیرگذاری بر رفتار اجتماعی در موشها استفاده میکرد. اپتوژنتیک سنتی به کابلهای فیبر نوری نیاز داشت و
حرکت حیوان، با طراحی بیسیم امکان رفتار طبیعیتری را فراهم میکرد.
نسخه جدید با فراهم کردن ارتباط پیچیدهتر و انعطافپذیرتر با مغز، این قابلیت را عمیقتر میکند. دستگاه بهروزرسانیشده به جای کنترل تنها یک ناحیه کوچک، حاوی آرایهای کاملاً قابل برنامهریزی تا ۶۴ میکرو الایدی است. هر نور را میتوان در زمان واقعی تنظیم کرد و ارسال توالیهای پیچیدهای را که شبیه الگوهای توزیعشدهای هستند که در طول تجربیات حسی واقعی دیده میشوند، امکانپذیر میسازد. از آنجا که ادراک طبیعی شامل بسیاری از مناطق قشر مغز است که با هم کار میکنند، نه خوشههای جدا از نورونها، این آرایه فعالیت واقعگرایانهتری ایجاد میکند.
وو گفت: “در مقاله اول، ما از یک میکرو الایدی واحد استفاده کردیم. اکنون از آرایهای از ۶۴ میکرو الایدی برای کنترل الگوی فعالیت قشر مغز استفاده میکنیم. تعداد الگوهایی که میتوانیم با ترکیبات مختلف الایدی – فرکانس، شدت و توالی زمانی – تولید کنیم تقریباً بینهایت است.”
اگرچه پیشرفتهتر است، اما دستگاه همچنان کوچک و سبک است. تقریباً به اندازه یک تمبر پستی و نازکتر از یک کارت اعتباری است. برخلاف پروبهای قبلی که به مغز امتداد مییافتند، این مدل روی سطح جمجمه قرار میگیرد و نور را از طریق استخوان میفرستد.
کوزورویتسکی گفت: “نور قرمز به خوبی در بافتها نفوذ میکند. به اندازه کافی عمیق میشود تا نورونها را از طریق جمجمه فعال کند.”
برای آزمایش، محققان از موشهایی استفاده کردند که طوری مهندسی شده بودند که نورونهای حساس به نور در قشر مغز داشته باشند. حیوانات آموزش دیدند که یک الگوی تحریک خاص را با یک پاداش مرتبط کنند، که معمولاً در یک پورت خاص در یک محفظه رفتاری یافت میشد.
در آزمایشهای مکرر، ایمپلنت یک الگوی تعریف شده را در چهار ناحیه قشر مغز ارائه داد که مانند یک سیگنال کدگذاری شده عمل میکرد. موشها یاد گرفتند که این الگوی هدف را از بسیاری از توالیهای ممکن دیگر تشخیص دهند. وقتی الگوی صحیح را تشخیص دادند، برای دریافت پاداش به پورت مناسب هدایت شدند.
وو گفت: “با انتخاب مداوم پورت صحیح، حیوان نشان داد که پیام را دریافت کرده است. آنها نمیتوانند از زبان برای بیان آنچه حس میکنند استفاده کنند، بنابراین از طریق رفتار خود ارتباط برقرار میکنند.”
با شواهدی مبنی بر اینکه مغز میتواند تحریک نوری الگودار را به عنوان اطلاعات معنادار درک کند، این تیم قصد دارد توالیهای پیچیدهتری را آزمایش کند و تعیین کند که مغز میتواند چند الگوی مختلف را برای تفسیر یاد بگیرد. نسخههای آینده این دستگاه ممکن است شامل LEDهای بیشتر، فاصله کمتر بین آنها، پوشش بیشتر در سراسر قشر مغز و طول موجهای جدیدی باشد که به مناطق عمیقتر مغز میرسند.
