دانشمندان به دنبال ساخت ایمپلنت‌های مغزی تزریقی هستند

در جهان ما صدها هزار سایبورگ زندگی می‌کنند. سایبورگ‌ها برخلاف تصور بسیاری از مردم، تهدیدی برای نسل بشر نیستند. انسان‌ها می‌توانند از طریق ‌کاشتنی‌ها، تراشه‌ها و حس‌گرهای مختلفی که امکان اتصال آن‌ها به مغز و بدن انسان‌ها وجود دارد، توانایی فوق بشری به‌دست آورند یا برخی توانایی‌های ازدست‌رفته خود را دوباره به‌دست آورند. در برخی بیماران مبتلا به پارکینسون، فعال کردن الکترودهای فلزی که در اعماق مغزشان کاشته می‌شوند، باعث توقف لرزش در آن‌ها می‌شود. برخی دیگر از بیماران که البته تعداد بسیار کمتری را شامل می‌شود کاملا فلج هستند و به‌لطف کاشتنی‌ها می‌توانند اندام‌های رباتیک را به کمک ذهن‌شان حرکت دهند. چنین فناوری‌هایی می‌توانند کیفیت زندگی افراد را به‌شدت بهبود بخشند، اما یک مشکل اساسی وجود دارد؛ فلز و مغز خیلی خوب با هم کنار نمی‌آیند.

مغز بافت ژله‌ای‌ دارد و اگر آن را خیلی محکم فشار دهید، به‌صورت توده‌های شکننده از هم جدا می‌شود. وارد کردن سیم یا به عبارت دقیق‌تر الکترود به مغز، عملی است که تحت عنوان جراحی‌ تهاجمی از آن نام برده می‌شود و اگر با دقت انجام نشود به بافت‌های این اندام حساس آسیب جدی وارد می‌کند. مگنوس برگرن (Magnus Berggren)، استاد الکترونیک ارگانیک دانشگاه لینکوپینگ سوئد، می‌گوید: «این کار مانند فرو کردن چاقو به این بافت است».

موضوع زمانی بدتر می‌شود که وقتی الکترودها در جای خود نسبتا ثابت می‌مانند، مغز تکان می‌خورد و اطراف الکترودها جابه‌جا می‌شود و باعث جراحت‌های بیشتری به مغز می‌شود. با زخم شدن و آسیب دیدن بافت‌ها، بدن واکنش نشان می‌دهد و به‌تدریج الکترود را از نورون‌هایی که قرار است کار ضبط یا تحریک را انجام دهند، جدا می‌کند. به‌دلیل جای زخم، آرایه‌های یوتا (Utah، دستگاه‌های کوچک و برس‌مانندی که در مغز افراد فلج کاشته می‌شوند) معمولا بعد از حدود پنج سال برداشته می‌شوند و بیمارانی که توانایی حرکت یا صحبت کردن را به‌دست آورده‌ بودند، دوباره خاموش و بی‌حرکت می‌شوند.

دانشمندان حداقل از دهه 1950 از این نکته اطلاع داشتند که این الکترودها می‌توانند آسیب‌های گسترده‌ای به این اندام وارد کنند. چندین نسل از مهندسان تلاش کردند با ساخت دستگاه‌های کوچک‌تر و انعطاف‌پذیرتر این مشکل را برطرف کنند، اما این دستگاه‌ها هم کاستی‌های خاص خود را داشتند. هیچ راه خوبی برای وارد کردن یک الکترود انعطاف‌پذیر به عمق مغز وجود نداشت و حتا زمانی که این الکترودها در سطح مغز قرار می‌گرفتند، ممکن بود در دوره‌های زمانی طولانی‌مدت به‌خوبی عمل نکنند.

اما برگرن(Berggren)  و همکارانش فکر می‌کنند که ممکن است راهکاری برای حل این مشکل ابداع کرده باشند. آن‌ها به‌جای ساخت الکترود در خارج از مغز و تلاش برای کاشت آن، ژلی را طراحی کرده‌اند که وقتی به بافت بدن تزریق می‌گردد، به شکل یک پلیمر رسانای الکتریکی سفت می‌شود. این فرآیند بی‌شباهت به ریختن فلز مذاب در قالب نیست، با این تفاوت که ژل ظاهرا بی‌ضرر است و پس از آن‌که الکترود تشکیل می‌شود به اندازه بافت مغز اطراف آن نرم و متحرک می‌شود.

این گروه تحقیقاتی، نتایج تحقیق خود را ماه آوریل (اردیبشهت ماه 1402) در مجله ساینس منتشر کردند. آن‌ها دستاورد جدید خود را در گورخرماهی‌های زنده و زالوهای مرده آزمایش کرده‌اند و در هر دو مورد، الکترودهایی تشکیل شدند که توانستند با موفقیت جریان را انتقال دهند. آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهند که این الکترودها بی‌خطر هستند. پس از تزریق این ماده در سر گورخرماهی‌ها، آن‌ها با خوشحالی به این طرف و آن طرف شنا می‌کردند و زمانی که دانشمندان ماهی‌ها را کالبدشکافی کردند و مغز آن‌ها را بررسی کردند جای هیچ زخمی را مشاهده نکردند. حتا نورون‌هایی که به‌طور کامل در الکترودها جاسازی شده بودند سالم بودند. با این حال، انسان‌ها با جانوران متفاوت هستند و برگرن بنا بر تجربه‌اش می‌داند آن‌چه در یک موجود زنده کار می‌کند، ممکن است در موجود دیگر جواب ندهد. در مورد این پروژه، او ابتدا تلاش کرد تا از مولکولی که قبلا طراحی کرده بود برای تشکیل یک پلیمر رسانا در گیاهان استفاده کند، اما وقتی سعی کرد این مولکول را در حیوانات مورد استفاده قرار دهد هیچ اتفاقی نیفتاد. او می‌گوید: «این پروژه در سال اول خود یک شکست کامل را تجربه کرد».

در نهایت، رنوفون استراکوساس (Xenofon Strakosas)، استادیار آزمایشگاه برگرن، مشکل را کشف کرد. در گیاهان، پراکسید هیدروژن به مواد تزریق‌شده کمک می‌کند به یک‌دیگر پیوند بخورند، اما در حیوانات پراکسید کافی برای انجام این واکنش وجود ندارد. بنابراین، استراکوساس برخی عناصر اضافی را به ترکیب افزود؛ آنزیمی که از گلوکز یا لاکتات برای تولید پراکسید استفاده می‌کند و در بافت‌های حیوانی رایج است و آنزیم دیگری که پراکسید را تجزیه می‌کند. این‌گونه بود که ناگهان الکترودها به‌طور کامل شکل گرفتند.

برای کارشناسانی مانند ماریا آسپلوند، استاد میکروفناوری بیوالکترونیک دانشگاه فناوری چالمرز در سوئد، ایده ساخت الکترود داخل بدن کاملا جدید است. او می‌گوید: «شیمی‌دان‌ها می‌توانند اتفاقاتی را رقم بزنند که من هرگز تصور نمی‌کردم». در شرایطی که آزمایش‌های اولیه موفقیت‌آمیز اعلام شده‌اند، اما این محصول هنوز روی پستانداران آزمایش نشده است و هیچ‌کس نمی‌داند چقدر در بدن دوام می‌آورد. مهم‌تر از همه، اگرچه الکترودها ممکن است قادر به انتقال موفقیت‌آمیز سیگنال‌های الکتریکی باشند، اما برگرن و همکارانش راه‌حلی برای خارج کردن این سیگنال‌ها از مغز ندارند تا دانشمندان بتوانند واقعا آن‌ها را مشاهده کنند یا مشاهده کنند که الکترودها به چه نحوی قادر به تحریک مغز هستند. 

البته، گزینه‌هایی در این زمینه وجود دارد. یکی از راهکارها این است که یک سیم عایق را به‌شکل مستقیم به الکترود بچسبانند تا سیگنال‌های آن را از اعماق مغز به سطح جمجمه منتقل کند، جایی که دانشمندان می‌توانند این سیگنال‌ها را اندازه‌گیری کنند. با این حال، این سیم می‌تواند به بافت مغز آسیب برساند که دقیقا همان چیزی است که گروه تلاش می‌کند از آن جلوگیری کنند. در مقابل، این گروه در تلاش برای ساخت قطعاتی هستند که طراحی شبیه به الکترود‌های یادشده داشته باشند و در مغز خودبه‌خود سرهم‌بندی شوند، به‌گونه‌ای که این امکان فراهم شود تا یک سیگنال به‌شکل بی‌سیم از بیرون خوانده شود.

اگر برگرن و همکارانش نحوه ارتباط با الکترودها را کشف کنند، همچنان برای رقابت با دستگاه‌های پیشرفته‌ای مانند نوروپیکسل که می‌تواند به‌طور همزمان فعالیت صدها نورون را ثبت کند، مشکل خواهد داشت. جاکوب رابینسون، دانشیار مهندسی الکتریک و برق در دانشگاه رایس در تگزاس می‌گوید: «دستیابی به این درجه از دقت با الکترودهای نرم می‌تواند دشوار باشد. به طور معمول بین عملکرد و تهاجمی ‌بودن بده‌بستانی وجود دارد. چالشی که وجود دارد، عبور از این محدودیت‌ها است». حداقل برای شروع، تحریک مغز ممکن است کاربرد بهتری برای الکترودهای نرم باشد، زیرا به دقت زیاد نیازی ندارد. به‌گفته آرون باتیستا، استاد مهندسی زیستی دانشگاه پیتسبرگ که بر روی رابط‌های مغز و کامپیوتر در میمون‌ها تحقیق می‌کند، حتا ضبط‌های نه‌چندان دقیق نیز می‌توانند برای افرادی که کاملا فلج هستند مفید باشد. الکترودهای نرم شاید نتوانند با اندازه‌گیری مستقیم سیگنال‌های مغز یک فرد، قادر به تولید یک گفتار روان باشند، اما برای بیمارانی که قادر به حرکت نیستند، این امکان که بتوانند به‌سادگی قادر به انتقال «بله» یا «نه» باشند، تفاوت فاحشی ایجاد می‌کند.

با ‌این‌حال، الکترودهای پلیمری فقط نسخه ایمن‌تر و غیردقیق‌تر از الکترودهای مرسوم نیستند. از آن‌جایی که آن‌ها بر مبنای مواد شیمیایی خاصی ساخته می‌شوند، می‌توان از آن‌ها برای هدف قرار دادن بخش‌هایی از مغز که ویژگی‌های شیمیایی خاصی دارد استفاده کرد.

برگرن و استراکوساس قصد دارند پروژه تحقیقاتی خود را به‌گونه‌ای اصلاح کنند که ژل فقط در برخی نواحی از مغز سفت شود که لاکتات زیادی در دسترس است؛ یعنی مناطقی که بسیار فعال هستند. آن‌ها با استفاده از این استراتژی، می‌توانند به‌طور خاص ناحیه‌ای از مغز را هدف قرار دهند که تشنج‌های فرد از آن‌جا نشأت می‌گیرد. این گروه پژوهشی به‌‌زودی روش خود را در موش‌های که بیماری صرع دارند، آزمایش خواهند کرد. همچنین، پژوهش‌گران می‌توانند ماده‌ای بسازند که از گلوکز یا لاکتات استفاده نکند و برای کمک به شکل‌گیری الکترود از مواد دیگری نظیر انتقال‌دهنده عصبی خاصی استفاده کنند. به‌ این‌ ترتیب، الکترودها فقط در بخش‌هایی از مغز تشکیل خواهند شد که دارای انتقال‌دهنده عصبی خاص هستند. رویکرد فوق به دانشمندان علوم اعصاب اجازه می‌دهد تا به‌شکل دقیق‌تری قسمت‌های خاصی از مغز را هدف قرار دهند.

اگر برگرن و تیمش بتوانند بر موانع علمی پیش روی خود غلبه کند، باید در نهایت بتوانند مجوز استفاده از این فناوری را در محیط‌های پزشکی بگیرند. نمی‌توان پیش‌بینی کرد که گرفتن مجوز برای ماده جدید چقدر طول می‌کشد، اما باتیستا بر این باور است که این کشف می‌تواند نویدبخش عصر جدیدی در فناوری الکترود باشد که سرانجام تحقق پیدا خواهد کرد. او می‌گوید: «نمی‌توانم مطمئن باشم کسی که امروزه زندگی می‌کند، بتواند ایمپلنت عصبی الکترونیکی انعطاف‌پذیر را دریافت کند. اما به‌نظر می‌رسد سرانجام روزی افراد نیازمند به چنین فناوری‌ای دست پیدا خواهند کرد».