حسگرهای چاپ سهبعدی چگونه مغز را زیر نظر میگیرند؟
حسگرهای مغزی چاپ سهبعدی ساخت پژوهشگران آمریکایی ممکن است امکان نظارت شخصیسازیشده بر اعصاب را فراهم کنند.
به گزارش باریخنیوز، بررسی جدید پژوهشگران «دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا» (Penn State) نشان میدهد الکترودهای نرمی که برای تطابق کامل با سطح مغز هر شخص طراحی شدهاند، میتوانند به پیشرفت رابطهای عصبی برای نظارت بر بیماریهای عصبی و درمان آنها کمک کنند.
مدیکالاکسپرس در گزارش خود نوشته است: رابطهای عصبی توسط حسگرهای کوچکی تغذیه میشوند که قادر به ردیابی سیگنالهای بیوفیزیکی هستند و به عنوان بیوالکترود شناخته میشوند. این حسگرها معمولاً از مواد سفت و با طراحی یکسان ساخته میشوند که برای همه مناسب نیست و در تطابق با ساختار پیچیده مغز مشکل دارند. این گروه پژوهشی، روش جدیدی را برای چاپ سهبعدی بیوالکترودها ایجاد کردهاند که به آنها کمک میکند تا کش بیایند و تغییر شکل دهند تا با تفاوتهای جزئی که هر مغز را منحصربهفرد میکنند، مطابقت داشته باشند.
پژوهشگران در این پروژه، از نرمافزار برای شبیهسازی دقیق مغزها براساس اسکنهای امآرآی گرفتهشده از ۲۱ بیمار انسانی استفاده کردند و پیش از چاپ سهبعدی الکترودها و مدلهای مغز، مجموعهای از الکترودها را متناسب با ساختارهای خاص مغز شکل دادند. این گروه پژوهشی گزارش دادند که الکترودهای آنها نسبت به طرحهای سنتی، بهتر با ساختار مغز مطابقت دارند و در عین حال، حتی در آزمایشهای انجامشده روی موشها، مؤثر و از نظر بیولوژیکی سازگار باقی میمانند.
تاخوردگیهای مغز انسان از طریق فرآیندی به نام «شکنجش»(Gyrification) ایجاد میشوند که در آن قشری روی دیواره بیرونی مغز به صورت برآمدگیهایی به نام «شکنج»(Gyrus) و خطوطی به نام «شیار»(Sulcus) جمع میشود. این امر به سلولهای مغز کمک میکند تا با سرعت بالا با هم ارتباط برقرار کنند و به یک اندام نسبتاً بزرگ امکان میدهد تا به طور فشرده در جمجمه جا بگیرد. یک مغز بالغ پهن حدود ۲۰۰۰ سانتیمتر مربع یا تقریباً به اندازه دو پیتزای بزرگ خواهد بود.
«تائو ژو»(Tao Zhou) از پژوهشگران این پروژه گفت: اگرچه شکنجهای اصلی قشر مغز در افراد مختلف ثابت هستند، اما طرح دقیق شکنجها و شیارهای مغز از شخصی به شخص دیگر به طور قابل توجهی تغییر میکند. با وجود این، طرحهای سنتی بیوالکترود این موضوع را در نظر نمیگیرند. هر شخص با توجه به قد، وزن، سن، جنسیت و موارد دیگر، ساختار مغزی متفاوتی دارد. با وجود این، ما تلاش میکنیم رابطهای عصبی را طوری روی مغزها قرار دهیم که انگار ساختارهای یکسانی دارند. این امر ما را بر آن داشت تا الکترودهایی بسازیم که برای هر شخص براساس ساختار مغزش متناسب باشند.
الکترودها عمدتاً از مادهای غنی از آب به نام هیدروژل ساخته شدهاند تا بهتر با بافتهای نرم و هندسه خاص مغز بیمار مطابقت داشته باشند. به گفته ژو، این گروه پژوهشی از یک ساختار جدید الهامگرفته از لانه زنبور استفاده کردهاند که انعطافپذیری و استحکام را ارائه میدهد، از نظر هزینه مقرونبهصرفه است و سریع چاپ میشود.
ژو گفت: ساختار لانه زنبوری به ما کمک میکند تا سفتی الکترودها را به طور قابل توجهی کاهش دهیم؛ بدون این که از استحکام مکانیکی آنها کم کنیم. این ساختار به ما کمک میکند تا مواد کمتری را در طول ساخت استفاده کنیم و زمان تولید، هزینه و تأثیر زیستمحیطی را کاهش دهیم.
روند تولید با گرفتن اسکن امآرآی از مغز بیمار آغاز میشود که برای انجام دادن روش «تحلیل اجزای محدود» مورد استفاده قرار میگیرد. این فرآیند، شبیهسازی دقیقی را از ساختار عصبی شخص ایجاد میکند. سپس، این تحلیل به عنوان یک مدل سهبعدی از مغز بیمار ارائه میشود که پژوهشگران در آن از نرمافزار رایانهای برای تنظیم یک الکترود زیستی استفاده میکنند. الکترود زیستی به طور ویژه برای متناسب شدن با برآمدگیها و شیارهای قشر مغز تغییر شکل داده شده است.
پژوهشگران پس از شکل دادن الکترود هیدروژل، آن را با استفاده از چاپ مستقیم جوهر به صورت سهبعدی چاپ میکنند. این روش میتواند الکترودهایی را ایجاد کند که قادر به نظارت و انتقال سیگنالهای مغزی روی یک سطح نسبتاً کوچک باشند. پژوهشگران در این پروژه، مدلهایی از مغز ۲۱ شرکتکننده گوناگون را به صورت سهبعدی چاپ کردند، الکترودها را به کار بردند و از نظر فیزیکی بررسی کردند که الکترودها چقدر میتوانند با سطح مغز مطابقت داشته باشند. ژو توضیح داد: روشهای ساخت سنتی به امکانات تخصصی مانند اتاقهای تمیز نیاز دارند و سفارشیسازی، آنها را فوقالعاده گران میکند. چاپ سهبعدی به پژوهشگران امکان میدهد تا الکترودها را بسیار سریعتر و با کسری از قیمت شخصیسازی و تولید کنند.
الکترودهای مبتنی بر هیدروژل در مقایسه با روشهای سنتی، ساختار مغز را دقیقتر دنبال میکنند. به گفته ژو، روش آنها الکترودهایی تولید میکند که اتصال تقریباً کاملی را با سیگنالهای الکتریکی موجود در مغز نشان میدهند. علاوه بر این، از آنجا که ژل کشسان بسیار انعطافپذیر است، میتوان آن را بدون ایجاد آسیب روی بافت نرم مغز اعمال کرد. این بر خلاف ویژگی مواد سفت با طرحهای دیگر است که میتوانند به بافت آسیب برسانند.
به گفته ژو، نرمی الکترودهای آنها امکان تماس نزدیکتر و پایدارتر با مغز را فراهم میآورد و نظارت با کیفیت بالاتر و قابل اعتمادتر را تسهیل میکند. علاوه بر این، بیوالکترودهای ساختهشده با این رویکرد بر انتقال مایعات در اطراف مغز تأثیری ندارند. انتقال مایعات در اطراف مغز، جنبهای حیاتی از عملکرد مغز است که بسیاری از الکترودهای سنتی آن را مختل میکنند.
ژو گفت: شخصیسازی الکترودها با توجه به ساختار خاص مغز، قابلیت اطمینان آنها را به میزان قابل توجهی بهبود میبخشد. از آنجا که آنها بهتر با مغز مطابقت دارند، کیفیت سیگنال نیز به طور قابل توجهی بهبود مییابد.
پژوهشگران برای ارزیابی بیشتر الکترودهای خود، آنها را به مدت ۲۸ روز روی مغز مدلهای موش صحرایی قرار دادند. ژو گفت: موشها هیچ پاسخ ایمنی به الکترودهای چاپشده نشان ندادند که یک نکته کلیدی در توسعه دستگاههای زیستی است. علاوه بر این، الکترودها تخریبی را در عملکرد نشان ندادند، اما خوانشهای حساس و دقیقی را از سیگنالهای الکتریکی و فیزیولوژیکی مغز ارائه کردند.
ژو معتقد است این روش چاپ میتواند به عنوان چارچوبی برای چاپ الکترودهای زیستی سفارشیسازیشده برای بیماران خاص در مقیاس تجاری عمل کند. اگرچه این سیستمها به طور سنتی برای نظارت بر فعالیت عصبی استفاده میشوند اما این گروه پژوهشی قصد دارند بررسی کنند که چگونه الکترودهای شخصیسازیشده ممکن است به درمانهای عصبی کمک کنند.
ژو گفت: ما به دنبال بهبود بیشتر این فناوری برای بهینهسازی الکترودها جهت نظارت بر بیماریهای خاص هستیم. ما دوست داریم در آینده با بیماران کار کنیم تا ببینیم چگونه این روش میتواند از نظارت بر مغز و درمان بیماری در محیطهای بالینی پشتیبانی کند.
این پژوهش در مجله «Advanced Materials» به چاپ رسید.
