تکاپو برای ساخت ایمپلنت‌های مغزی تزریق‌شدنی

در جهان ما صدها هزار سایبورگ زندگی می‌کنند؛ یعنی موجودی که هم اجزای ارگانیک و هم اجزای مکانیکی دارد. برخی از آن‌ها بیماران مبتلا به پارکینسون هستند که می‌توانند با فعال‌کردن الکترودهای فلزی کاشته‌شده در اعماق مغزشان رعشه‌های خود را متوقف کنند. برخی دیگر که البته تعدادشان بسیار کمتر است، افراد کاملا فلجی هستند که به لطف ایمپلنت‌های خود، می‌توانند اندام‌های رباتیک را به کمک ذهنشان حرکت دهند.

چنین فناوری‌هایی می‌توانند کیفیت زندگی افراد را به شدت بهبود دهند. اما آن‌ها مشکلی اساسی دارند: فلز و مغز به‌خوبی با هم کنار نمی‌آیند. مغز دارای بافت ژله‌مانند است و اگر خیلی محکم به آن فشار وارد کنید، به شکل توده‌های شکننده از هم می‌پاشد. وارد کردن سیم به مغز، عملی خشونت‌آمیز است. مگنوس برگرن، استاد الکترونیک ارگانیک در دانشگاه لینشوپینگ سوئد می‌گوید: «این کار مانند چسباندن چاقو به بافت است.»

موضوع بدتر این‌ است که درحالی‌که الکترودها در جای خود نسبتا ثابت می‌مانند، مغز تکان می‌خورد و اطراف الکترودها جا‌به‌جا می‌شود و موجب جراحت بیشتری می‌شود. بدن در واکنش به این اتفاق، بافت زخم تشکیل می‌دهد. بافت زخم به‌تدریج الکترودها را از نورون‌هایی که قرار است فعالیت آن‌ها را ثبت یا تحریک کند، جدا می‌کند.

به دلیل تشکیل بافت زخم، آرایه‌های یوتا (دستگاه‌های ریز برس‌مانندی که در مغز افراد فلج کاشته می‌شوند) معمولا پس از حدود پنج سال برداشته می‌شوند و بیمارانی که برای مدتی توانایی حرکت و صحبت کردن را به دست آورده بودند، دوباره خاموش و بی‌حرکت می‌شوند.

دانشمندان حداقل از دهه ۱۹۵۰ به آسیب گسترده‌ای که الکترودها می‌توانند به بار بیاورند، پی برده بودند. نسل‌های زیادی از مهندسان با ساخت دستگاه‌های کوچک‌تر و انعطاف‌پذیرتر سعی کرده‌اند این مشکل را حل کنند، اما هنوز کاستی‌هایی وجود دارد. روش خوبی برای وارد کردن الکترود انعطاف‌پذیر به اعماق مغز وجود ندارد و حتی زمانی که الکترودها در سطح مغز قرار داده می‌شود، ممکن است در دوره‌های زمانی طولانی به‌خوبی عمل نکنند.

اما به گزارش وایرد، برگرن و همکارانش فکر می‌کنند که ممکن است راه‌حلی را پیدا کرده باشند. آن‌ها به‌جای ساختن الکترود در خارج از مغز و سپس تلاش برای کاشت آن، ژلی را طراحی کرده‌اند که وقتی به بافت بدن تزریق می‌شود، به شکل پلیمر رسانای الکتریکی سخت می‌شود. این فرایند ازاین‌نظر به ریختن فلز مذاب در قالب بی‌شباهت نیست، اما این تفاوت را دارد که ژل ظاهرا بی‌ضرر است و وقتی الکترود تشکیل شود، به اندازه بافت مغزی که اطراف آن قرار دارد، نرم و متحرک است.

پژوهشگران نتایج خود را ماه فوریه در مجله ساینس منتشر کردند. آن‌ها اکنون ماده‌ی خود را در گورخرماهی‌های زنده و زالوهای مرده آزمایش کرده‌اند. در هر دو مورد، الکترودهایی تشکیل شد که می‌توانستند با موفقیت جریان را منتقل کنند.

الکترودها بی‌خطر به‌نظر می‌رسیدند: گورخرماهی پس از پمپ‌شدن ماده به سرش با خوشحالی در اطراف شنا می‌کرد و وقتی دانشمندان ماهی را کشتند و از مغز او برش تهیه کردند، هیچ جای زخمی را ندیدند. حتی نورون‌هایی که به‌طور کامل درون الکترودها جای گرفته بودند، سالم به‌نظر می‌رسیدند. بااین‌حال انسان‌ها موجودات متفاوتی هستند و برگرن براساس تجربیات خود می‌داند آن‌چه در یک موجود زنده جوابگو است، همیشه در موجود دیگر کارآمد نیست.

برگرن کار خود را با تلاش برای استفاده از مولکولی شروع کرد که قبلا برای تشکیل پلیمر در گیاهان آن را طراحی کرده بود. اما وقتی سعی کرد از این مولکول در حیوانات استفاده کند، اتفاقی نیفتاد. او می‌گوید: «سال اول پروژه شکست کامل بود.»

درنهایت، زنوفون استراکوساس، استادیاری که در آزمایشگاه برگرن کار می‌کند، مشکل را کشف کرد: در گیاهان، هیدروژن پراکسید به پیوند ماده تزریق‌شده کمک می‌کرد، اما در حیوانات هیدروژن پراکسید کافی وجود ندارد تا این واکنش رخ دهد. بنابراین، استراکوساس عناصر دیگری را به ترکیب اضافه کرد: آنزیمی که از گلوگز یا لاکتات که در بافت‌های حیوانی فراوان است، برای تولید پراکسید استفاده می‌کند و آنزیمی دیگری که پراکسید را تجزیه می‌کند. به ناگهان، الکترودها به‌طور کامل تشکیل شدند.

برای کارشناسانی مانند ماریا آسپلوند، استاد میکروتکنولوژی بیوالکترونیک در دانشگاه فناوری چالمرز سوئد، ایده ساختن الکترودها درون بدن ایده کاملا جدیدی است. او می‌گوید: «شیمیدان‌ها می‌توانند کارهای باورنکردنی انجام دهند.» اما آسپلوند که بیش از یک دهه روی ساخت الکترودهای سازگار با مغز کار کرده است، هنوز قصد ندارد روش‌های آزمایش‌شده خود برای ایجاد الکترود را کنار بگذارد. یکی از دلایل آن است که ابزار جدید هنوز در پستانداران آزمایش نشده است و کسی نمی‌داند که چقدر در بدن دوام می‌آورد.

موضوع مهم‌تر اینکه، اگرچه الکترودها ممکن است بتوانند سیگنال‌های الکتریکی را هدایت کنند، برگرن و همکارانش راه‌حلی برای خارج‌کردن سیگنال‌ها از مغز یا ارسال جریان به خارج از مغز ندارند تا دانشمندان بتوانند سیگنال‌ها را مشاهده کنند یا اینکه الکترودها بتوانند برای تحریک مغز مورد استفاده قرار گیرند.

البته آن‌ها چندین گزینه دارند. یکی این است که سیم عایقی را مستقیما به الکترودها بچسبانند تا سیگنال‌ها را از اعماق مغز به سطح جمجمه، یعنی جایی که دانشمندان می‌توانند آن را اندازه‌گیری کنند، منتقل کند. اما سیم می‌تواند به بافت مغز آسیب بزند و این دقیقا همان چیزی است که تیم در تلاش است از آن اجتناب کند. درعوض، پژوهشگران ممکن است سعی کنند اجزای دیگری را طراحی کنند که مانند الکترود بتواند درون مغز به‌طور خودبه‌خود تشکیل شود، به‌طوری‌که سیگنال را بتوان به شکل بی‌سیم از خارج از مغز خواند.

اگر برگرن و همکارانش نحوره ارتباط با الکترودها را کشف کنند، همچنان برای رقابت با دستگاه‌های پشرفته‌ای 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. او می‌گوید معمولا بین عملکرد و تهاجمی‌بودن 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. آرون باتیستا، استاد مهندسی زیستی در دانشگاه پیتزبورگ که روی رابط‌های مغز و کامپیوتر در میمون‌ها مطالعه می‌کند، می‌گوید حتی ثبت‌های غیردقیق می‌تواند برای افرادی که کاملا فلج هستند، مفید باشد. الکترودهای نرم ممکن است نتوانند با اندازه‌گیری مستقیم سیگنال‌های مغز گفتار روان تولید کنند، اما برای بیمارانی که اصلا نمی‌توانند حرکت کنند، توانایی ارتباط برقرار کردن با استفاده از بله و خیر می‌تواند تفاوت زیادی ایجاد کند.

با‌این‌حال، الکترودهای پلیمری فقط نسخه ایمن‌تر و غیردقیق‌تر از الکترودهای مرسوم نیستند. ازآن‌جا که آن‌ها در حضور مواد خاصی تشکیل می‌شوند، می‌توان از آن‌ها برای هدف قرار دادن بخش‌هایی از مغز که ویژگی‌های شیمیایی خاصی دارد، استفاده کرد.

برگرن و استراکوساس قصد دارند دستوارالعمل خود را طوری اصلاح کنند که ژل فقط در برخی نواحی از مغز سفت شود که لاکتات زیادی دردسترس است، یعنی مناطقی که بسیار فعال هستند. آن‌ها با استفاده از این استراتژی، می‌توانند به‌طورخاص ناحیه‌ای از مغز را هدف قرار دهند که تشنج‌های فرد از آن‌جا منشا می‌گیرد. این گروه پژوهشی به‌زودی روش خود را در موش‌های صرعی‌شده آزمایش خواهند کرد.

پژوهشگران همچنین می‌توانند ماده‌ای بسازند که از گلوکز یا لاکتات استفاده نمی‌کند، بلکه برای کمک به شکل‌گیری الکترود، از مواد دیگری نظیر انتقال‌دهنده عصبی خاصی استفاده می‌کند. به‌این‌ترتیب، الکترودها فقط در بخش‌هایی از مغز تشکیل خواهند شد که مقدار آن ناقل عصبی خاص در آن‌جا بالا است. این امر به دانشمندان علوم اعصاب اجازه می‌دهد تا به‌طور دقیق قسمت‌های خاصی از مغز را هدف قرار دهند.

اگر برگرن و تیمش بتوانند بر موانع علمی پیش روی خود غلبه کند، باید درنهایت بتوانند مجوز استفاده از این فناوری را در محیط‌های پزشکی بگیرند. نمی‌توان پیش‌بینی کرد که گرفتن مجوز خصوصا 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 فناوری دست پیدا خواهند کرد.»