کنترل نورون با نور، بدون سیم یا باتری!

اپتوژنتیک یک تکنیک بیولوژیکی است که از نور برای روشن یا خاموش کردن گروه‌های نورونی خاص در مغز استفاده می‌کند. برای مثال، محققان ممکن است از تحریک اپتوژنتیک برای بازگرداندن توان حرکت در موارد فلج شده یا در آینده برای خاموش کردن مناطقی از مغز یا نخاع که باعث درد شده‌‌اند و همچنین برای از بین بردن نیاز به مواد مخدر و دیگر داروهای مسکن استفاده کنند.

یکی از محققین بیان کرد: ما در حال ساخت این ابزار‌ها هستیم تا از چگونگی کارکرد بخش‌های مختلف مغز آگاهی یابیم. مزیت اپتوژنتیک فراهم آوری سلول اختصاصی است؛ شما می‌توانید گروه خاصی از نورون‌ها را مورد هدف قرار داده و عملکرد و ارتباط آن‌ها را در زمینه‌ی تمام مغز مورد بررسی قرار دهید.

در اپتوژنتیک، محققان به نورون‌های خاصی پروتئین‌هایی به نام اوپسین‌ وارد می‌کنند که نور را به پتانسیل الکتریکی تبدیل می‌کنند که عملکرد نورون را تشکیل می‌دهند. هنگامی که محقق به ناحیه‌ای از مغز نور می‌تاباند، نور تنها نورون‌های دارای اوپسین را فعال می‌کند.

اولین فرایند اپتوژنتیک شامل ارسال نور به مغز از طریق فیبرهای نوری است و به این معناست که افراد مورد آزمایش از لحاظ فیزیکی به یک دستگاه کنترل متصل می‌شوند. محققان یک تکنیک بدون باتری را به وسیله تکنولوژی بی‌سیم توسعه دادند به این معنا که اشخاص می‌توانند آزادانه حرکت کنند.

اما این دستگاه‌ها محدودیت‌هایی داشتند؛ بزرگ و اغلب به خارج از جمجمه متصل بودند، همچنین اجازه کنترل دقیق فرکانس یا شدت نور را نمی‌دادند و فقط می‌توانستند یک منطقه از مغز را در یک زمان تحریک کنند.

آن‌ها اعلام کردند ما توانستیم کنترل دیجیتالی روی شدت و فرکانس نور منتشر شده اعمال کنیم و دستگاه‌ها بسیار کوچک شدند تا بتوانند زیر اسکالپ (پوست سر) قرار داده شوند. ما همچنین می‌توانیم چندین مکان را در مغز به طور مستقل تحریک کنیم که پیش از این امکان پذیر نبود.

توانایی کنترل شدت نور بسیار مهم است چرا که به محققان این امکان را می‌دهد تا مقدار تاثیرگذاری نور بر مغز را به طور دقیق کنترل کنند. شدت نور هرچه بیشتر باشد، به مناطق دورتری می‌رسد. به علاوه، کنترل شدت نور به معنای کنترل گرمای تولید شده به وسیله منابع نور و اجتناب از فعال شدن تصادفی نورون‌هایی است که توسط گرما فعال می‌شوند.

ایمپلنت‌های بدون باتری و بی سیم توسط میدان‌های مغناطیسی نوسانی خارجی تغذیه می‌شوند و با وجود تکنولوژی پیشرفته‌تر، از نسخه‌های قبلی خیلی بزرگتر یا سنگین‌تر نیستند. به علاوه، طراحی یک آنتن جدید مشکلی را که دستگاه اپتوژنتیک قبلی با آن مواجه بود، حذف کرد. در نسخه‌های قبلی قدرت سیگنالی که به دستگاه انتقال داده می‌شد با توجه به زاویه مغز تغییر می‌کرد ]یعنی اگر[ یک شخص سر خود را می‌چرخاند سیگنال ضعیف می‌شد.

نتایج تجزیه و تحلیل تصویر ترکیبی MRI و CT حیوانی که با قابلیت برنامه ریزی توسط دستگاه bilateral multi μ-ILED مورد ایمپلنت قرار گرفته، بر رندر سه بعدی اضافه شده است.

این سیستم دارای دو آنتن در یک محفظه است که میتوانیم سیگنال را به عقب و جلو تغییر دهیم پس می‌توانیم ایمپلنت را در هر جهت قدرتمندتر کنیم. در آینده این تکنیک می‌تواند ایمپلنت‌های بدون باتری فراهم کند که تحریک مداوم بدون نیاز به حذف یا جایگزینی دستگاه را فراهم می‌کند، که به روش‌های کمتر تهاجمی نسبت به تکنیک‌های ضربان ساز یا تحریک منجر می‌شود.

دستگاه‌ها با جراحی ساده‌ مشابه با جراحی‌هایی که انسان را نسبت به محرک‌های نورونی یا ضربان ساز مغز سازگار می‌کنند، قرار داده می‌شوند. این دستگاه‌ها اثرات نامطلوبی بر افراد ندارند و عملکردشان طی زمان در بدن تخریب نمی‌شود. این می‌تواند پیامدهایی برای دستگاه‌های پزشکی مثل ضربان سازها که در حال حاضر نیاز به جایگزینی‌های 5 تا 15سال دارند، داشته باشد.

این مقاله همچنین نشان داد حیواناتی که با این دستگاه‌ها ایمپلنت می‌شوند، می‌توانند بدون هیچ خطری با توموگرافی کامپیوتری یا CT و MRI (تصویر برداری رزونانس مغناطیسی) تصویر برداری شوند که امکان بینش پیشرفته مرتبط با پارامترهای بالینی مانند وضعیت استخوان، بافت و قرارگیری دستگاه را فراهم می‌کند.

منبع : Neurosciencenews

مترجم :‌هانى قدرى، عضو شاخه دانشجویی نقشه برداری مغز