فناوری های تاشو در خدمت آینده مغز: نسل جدید کاوشگرهای سه بعدی

کاوشگرهای سه‌بعدی، آینده‌نگرانه در خدمت نقشه‌برداری مغز

در یکی از نوآورانه‌ترین دستاوردهای علوم اعصاب و مهندسی زیستی، پژوهشگران آلمانی موفق به طراحی و ساخت کاوشگرهای سه‌بعدی (3D neural probes) شده‌اند که از قابلیت انعطاف‌پذیری (flexibility) و تاشو بودن (foldability) برخوردارند. این کاوشگرها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که قابلیت جای‌گیری در بافت‌های عمیق مغز (deep brain tissue) را داشته باشند و بتوانند از فعالیت نورون‌ها (neuronal activity) در نواحی مختلف مغز، به‌ویژه در لایه‌های عمقی، نقشه‌برداری عصبی (neural mapping) انجام دهند.

این نوآوری چشم‌گیر با الهام از هنر سنتی ژاپنی به نام کریگامی (Kirigami)، که نوعی هنر برش و تا زدن کاغذ است، توسعه یافته است. پژوهشگران با بهره‌گیری از اصول این هنر، موفق به تولید ساختارهایی بسیار دقیق و میکروسکوپی شده‌اند که هم از نظر مکانیکی با بافت نرم مغز سازگار هستند و هم می‌توانند در سه بعد به‌طور همزمان داده‌های عصبی را ثبت کنند.

این کاوشگرهای عصبی نوین (neural probes) با استفاده از چندین الکترود (multi-electrode arrays) طراحی شده‌اند که قادرند اطلاعات الکتریکی را از نواحی مختلف مغز جمع‌آوری کرده و تصویر دقیق‌تری از فعالیت شبکه‌های عصبی (neural networks) در اختیار محققان قرار دهند. چنین دستگاه‌هایی، گامی بزرگ به سوی تحقق ابزارهای پیشرفته برای مطالعه عملکرد مغز در آینده (tools for future brain research) به‌شمار می‌آیند.

این فناوری می‌تواند زمینه‌ساز تحول در حوزه‌هایی مانند تشخیص بیماری‌های عصبی (diagnosis of neurological disorders)، درک عملکرد شناختی (cognitive function) و حتی رابط‌های مغز و ماشین (brain-machine interfaces) باشد. سازگاری بالای این کاوشگرها با ساختار پیچیده مغز، آنها را به ابزاری کلیدی برای پژوهش‌های آینده‌نگرانه در علوم اعصاب (future-oriented neuroscience research) تبدیل کرده است.

رابط‌های عصبی-الکترونیکی، پلی میان مغز و فناوری در مسیر آینده مغز

به گزارش Advanced Science News، تمایل روزافزون به درک پیچیدگی مغز انسان، موجب شده است که علوم اعصاب (Neuroscience) به یکی از سریع‌ترین و پویاترین شاخه‌های علمی در حال رشد تبدیل شود. از آنجا که نقشه‌برداری عصبی (Neural Mapping) از ساختار پیچیده مغز و بررسی عملکرد دقیق نواحی مختلف آن، نیازمند فناوری‌های پیشرفته است، دستیابی به ابزارهای دقیق و کم‌تهاجمی، چالشی اساسی در مسیر توسعه این علم محسوب می‌شود.

یکی از اصلی‌ترین ابزارهای مورد استفاده در این مسیر، رابط‌های عصبی-الکترونیکی (Neuroelectronic Interfaces) هستند که بر پایه‌ی آرایه‌های میکروالکترود (Microelectrode Arrays) عمل می‌کنند. این آرایه‌ها، که قابلیت کاشت در بافت مغز را دارند، به‌عنوان ایمپلنت‌هایی طراحی شده‌اند که می‌توانند در دو حوزه کاربردی به‌کار روند: نخست، در مطالعات برون‌تنی (In Vitro)، یعنی بیرون از بدن و در محیط‌های آزمایشگاهی؛ و دوم، در مطالعات درون‌تنی (In Vivo)، یعنی در بستر واقعی سیستم عصبی بدن انسان یا حیوان.

این ایمپلنت‌های هوشمند می‌توانند همچون پل ارتباطی میان سیستم عصبی و سامانه‌های الکترونیکی بیرونی (External Electronic Systems) عمل کنند. از سوی دیگر، آن‌ها نه‌تنها قادر به ثبت سیگنال‌های عصبی (Neural Recording) هستند، بلکه قابلیت تحریک فعالیت‌های عصبی (Neural Stimulation) را نیز دارند.

ویژگی‌های آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی (3D Microelectrode Arrays) آن‌ها را به گزینه‌ای قدرتمند برای توسعه رابط‌های مغز و ماشین (Brain-Machine Interfaces) تبدیل کرده است. این رابط‌ها نه‌تنها قادرند سیگنال‌های مغزی را با دقت بالا دریافت کنند، بلکه توانایی ارسال بازخوردهای الکتریکی به مغز را نیز دارند. این ویژگی، افق‌های جدیدی را برای درک عملکرد مغز، مطالعه اختلالات عصبی (Neurological Disorders)، و حتی توسعه روش‌های درمانی مبتنی بر تحریک الکتریکی (Electrical Stimulation-Based Therapies) گشوده است.

این فناوری‌ها نشان‌دهنده‌ آینده‌ای هستند که در آن کشف رازهای عملکرد مغز انسان، نه‌فقط با مشاهده، بلکه با تعامل مستقیم الکتروفیزیولوژیکی ممکن می‌شود؛ و گامی مؤثر در مسیر شناخت «آینده مغز» محسوب می‌گردند.

کاوشگرهای سه‌بعدی انعطاف‌پذیر، راهی نوین برای نقشه‌برداری از آینده مغز

به گفته ویویانا رینکون مونتس (Viviana Rincón Montes)، پژوهشگر مرکز پژوهشی یولیش (Jülich Research Center)، دستگاه طراحی‌شده در این پروژه به‌واسطه ساختار سه‌بعدی (3D) خود، توانسته است ویژگی‌های دو فناوری مختلف را در یک ابزار واحد ترکیب کند. این دستگاه قادر است سیگنال‌های مغزی را نه‌تنها از سطح قشر مغز (Cortical Surface)، بلکه از لایه‌های عمیق‌تر بافت مغزی (Deeper Brain Layers) نیز ثبت کند؛ امری که تاکنون با محدودیت‌های فنی جدی مواجه بوده است.

ماری یونگ (Marie Jung)، یکی دیگر از پژوهشگران تیم، توضیح می‌دهد که آرایه‌هایی که در این کاوشگر تعبیه شده‌اند، از الکترودهایی با ابعاد میکروسکوپی (Microscale Electrodes) تشکیل شده‌اند که ضخامت هرکدام تنها حدود ۵۰ میکرومتر است؛ در مقایسه، ضخامت یک تار موی انسان به‌طور میانگین ۷۵ میکرومتر است. این موضوع نشان‌دهنده ظرافت و دقت بالای ساختار طراحی‌شده است.

یونگ خاطرنشان می‌کند که فرآیند مونتاژ و شکل‌دهی این کاوشگر، به‌گونه‌ای است که پژوهشگران می‌توانند به‌صورت دستی و زیر میکروسکوپ، آن را به‌دقت تا کنند و شکل دهند. او فرآیند را به تنظیم یک قفل مکانیکی تشبیه می‌کند که در آن، تمامی قطعات با دقت در جای خود قرار می‌گیرند. وی افزود: «هر بار که یک کاوشگر را تا می‌کنم، از سرعت و سادگی این روش شگفت‌زده می‌شوم.»

یکی از ویژگی‌های قابل‌توجه این فناوری، عدم نیاز به فرآیندهای تولید خطرناک یا خشن (Non-invasive Manufacturing Processes) است. برخلاف بسیاری از روش‌های سنتی که ممکن است با آسیب به بافت یا نیاز به مواد شیمیایی پرخطر همراه باشند، در این طرح، از یک فرآیند شکل‌دهی مکانیکی (Mechanical Molding) استفاده شده است. در این روش، یک الگوی دوبعدی مسطح (2D Flat Design) میان دو قالب منطبق (Matching Molds) قرار داده می‌شود و سپس با اعمال فشار و گرما (Pressure and Heat)، این ورقه نازک و انعطاف‌پذیر، به ساختاری سه‌بعدی در مقیاس میکرومتر (Microscale 3D Structure) تبدیل می‌شود.

مزیت بزرگ این رویکرد، قابلیت تا شدن هم‌زمان (Simultaneous Folding) تمام آرایه‌های الکترودی است. این ویژگی، امکان تا کردن تا ۱۲۸ آرایه به‌صورت هم‌زمان را فراهم می‌کند، آن‌هم به شکلی سریع، قابل‌اعتماد و با حداقل آسیب به ساختار یا عملکرد ابزار. این پیشرفت، گامی بلند در مسیر توسعه کاوشگرهایی است که بتوانند به‌طور دقیق، ایمن و عمیق در بافت مغز نفوذ کرده و به فهم بهتری از آینده مغز انسان کمک کنند. 

آزمایش‌های گام‌به‌گام برای اعتبارسنجی آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی در مطالعه آینده مغز

پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد و ایمنی آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی (3D Microelectrode Arrays)، یک رویکرد چندمرحله‌ای طراحی و اجرا کردند که شامل آزمایش‌های آزمایشگاهی (in vitro)، بررسی‌های مکانیکی و الکتروشیمیایی، و در نهایت مطالعات درون‌تنی (in vivo) بود.

در مرحله نخست، به گفته ویویانا رینکون مونتس (Viviana Rincón Montes)، این آرایه‌ها در شرایط کنترل‌شده آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفتند. پژوهشگران ابتدا به آزمون خواص مکانیکی (Mechanical Properties Testing) مواد پرداختند تا از پایداری و انعطاف‌پذیری ساختارها اطمینان حاصل کنند. سپس با استفاده از بررسی نوری (Optical Inspection)، فرآیند تا شدن دستگاه‌ها را از نظر دقت و قابلیت اطمینان تحلیل کردند. همچنین، عملکرد الکتریکی دستگاه‌ها از طریق آزمایش‌های الکتروشیمیایی (Electrochemical Testing) مورد تأیید قرار گرفت.

به منظور ارزیابی تطابق این دستگاه‌ها با بافت مغزی (Neural Tissue)، کاوشگرها در موادی که از نظر خواص فیزیکی و شیمیایی به مغز شباهت دارند، قرار داده شدند. افزون بر این، برای بررسی دوام این فناوری در شرایط زیستی، آزمایش‌های شبیه‌سازی پیری تسریع‌شده (Accelerated Aging Tests) انجام شد تا طول عمر عملکردی دستگاه‌ها در محیط‌های شبه‌زیستی تخمین زده شود.

در مرحله بعد، پژوهشگران به سراغ نمونه‌های بیولوژیکی واقعی رفتند. این نمونه‌ها شامل برش‌هایی از قشر مغز انسان (Human Cortical Tissue) که از بیماران مبتلا به صرع (Epilepsy) در جریان عمل جراحی به دست آمده بود، و نیز بافت قشر مغز جوندگان زنده (Rodent Cortex) بودند.

در آزمایش‌های انجام‌شده بر روی برش‌های انسانی، پژوهشگران با تغییر ترکیب شیمیایی مایع اطراف مغز (Chemical Modulation of Surrounding Medium)، تلاش کردند تا فعالیت شبه‌صرعی (Epileptiform Activity) را شبیه‌سازی کنند. این رویکرد به آن‌ها امکان داد تا کارایی دستگاه را در شرایط بالینی مرتبط با اختلالات عصبی (Neurological Disorders) بررسی کنند.

در مطالعات روی جوندگان زنده، پژوهشگران از تحریک لمسی (Tactile Stimulation) و تحریک بصری (Visual Stimulation) برای برانگیختن مغز استفاده کردند. این محرک‌ها باعث تولید سیگنال‌های عصبی متنوع (Neural Signals) شدند که با استفاده از آرایه‌های سه‌بعدی ثبت گردیدند. هدف از این کار، تحلیل نحوه پاسخ لایه‌های مختلف مغز به تحریک‌های بیرونی و سنجش کیفیت ثبت سیگنال در عمق‌های گوناگون بافت مغز بود.

نتیجه این آزمایش‌ها، توانایی این فناوری در ثبت طیف وسیعی از سیگنال‌های مغزی و همچنین ارزیابی واکنش‌های نواحی مختلف قشر مغز در برابر تحریکات مختلف را نشان داد؛ گامی اساسی در مسیر فهم بهتر آینده مغز انسان و توسعه ابزارهای پیشرفته برای مطالعه اختلالات عصبی و درمان‌های مبتنی بر تحریک.

چشم‌انداز بالینی برای آرایه‌های سه‌بعدی در آینده مغز: موفقیت اولیه و چالش‌های پیش‌رو

بررسی‌های پژوهشگران نشان می‌دهد که روش ساخت آرایه‌های میکروالکترود سه‌بعدی (3D Microelectrode Arrays) از نظر کارایی تولید (Production Efficiency)، نتایج بسیار امیدوارکننده‌ای به همراه داشته است. به طور دقیق، نرخ موفقیت فرآیند تا شدن (Folding Success Rate) حدود ۹۸ درصد گزارش شده است و پس از اجرای مراحل تکمیلی فرآوری نظیر افزودن پوشش الکترود (Electrode Coating) و بسته‌بندی نهایی (Final Packaging)، این نرخ به ۸۰ درصد کاهش می‌یابد.

با این حال، به گفته مونتس (Montes)، فرآیند تا کردن در حال حاضر به‌ صورت دستی (Manual Folding) انجام می‌شود و شامل هم‌ترازی دقیق ورق دو‌بعدی و فشار دادن آن با دست برای تبدیل به ساختار سه‌بعدی است. این فرآیند اگرچه از نظر سادگی و دقت قابل‌توجه است، اما برای تولید انبوه نیاز به بهینه‌سازی دارد. پژوهشگران پیش‌بینی می‌کنند که با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند سیستم‌های برداشت و گذاشت (Pick-and-Place Systems) یا میکرومانیپولاتورها (Micromanipulators)، می‌توان فرآیند را خودکارسازی (Automation) کرده و نرخ موفقیت نهایی را به شکل چشمگیری افزایش داد.

با وجود موفقیت‌های اولیه، مونتس تأکید می‌کند که کاربرد بالینی (Clinical Application) این فناوری هنوز نیازمند زمان و مطالعات بیشتری است. مراحل ترجمه یافته‌های آزمایشگاهی به مراقبت‌های بهداشتی در دنیای واقعی (Real-world Healthcare Translation) شامل آزمایش‌های ایمنی، تأییدیه‌های مقرراتی و ارزیابی‌های عملکرد طولانی‌مدت خواهد بود.

نتایج این تحقیق در نشریه علمی TBA Journal منتشر شده است و نقطه عطفی در مسیر توسعه ابزارهای نوین برای درک عملکرد پیچیده مغز (Understanding Brain Function) و آینده علوم اعصاب (Future of Neuroscience) به شمار می‌رود.