دانشمندان EPFL، یک پلتفرم الکترونیکی مینیاتوری برای تحریک و ثبت فعالیت فیبرهای عصبی محیطی بر روی یک چیپ ایجاد کرده‌اند. این پلتفرم، انجام دستکاری و ثبت سریع فعالیت عصبی با نرخ سیگنال-به-نویز بالا (signal-to-noise) را ممکن ساخته و مسیر را برای استفاده از این چیپها بمنظور ارتقای طراحی پروتزهای عصبی، هموار می‌سازد.
پروتزهای عصبی – اجزای قابل کاشتی که حاوی الکترودهایی با تعامل بالا هستند و این الکترودها می‌توانند عملکردهای مشخص عصب را جایگزین سازند – توانایی این را دارند تا شگفت انگیز ظاهر شوند. آنها ممکن است قادر به بازیابی حس لمس در افرادی باشند که اندام آنها آمپوته شده‌است؛ یا با تحریک طناب نخاعی افراد ناتوان، آنها را قادر به حرکت سازند؛ و یا فعالیت عصبی را در افرادی که از درد مزمن رنج می‌برند، متوقف سازند.
تحریک اعصاب در زمان و مکان مناسب برای بهره گیری از درمانهای کارآمد، ضروری است، ولی عدم توانایی ثبت فعالیت عصبی بصورت دقیق در اجزای کاشت شده، هنوز چالش برانگیز است.
Sandra Gribi، دانشجوی دکترا در بنیاد Bertarelli برای تکنولوژی پروتزهای عصبی، می‌گوید: “مغز ما میلیونها ایمپالس عصبی را ارسال و دریافت می‌کند، ولی ما معمولا دوازده الکترود در مغز بیماران کاشت می‌کنیم. این نوع تعامل اغلب از دقت مورد نیاز برای تطابق الگوهای پیچیده تبادل اطلاعات در سیستم عصبی بیماران، بهره مند نیست.”
شبیه سازی – و ارتقای – اینکه پروتزهای عصبی چگونه کار می‌کنند
دانشمندان آزمایشگاه دکتر Stephanie Lacour، استاد دانشکده مهندسی EPFL، یک پلتفرم ” عصب بر روی چیپ ” طراحی کرده‌اند که می‌تواند همانند پروتزهای عصبی کاشت شده، فیبرهای عصبی را تحریک و فعالیت آنها را ثبت کند. پلتفرم آنها میکروکانال‌هایی را شامل می‌شود که حاوی الکترودها بوده و همچنین شامل فیبرهای عصبی کاشت شده‌ای است که بطور امیدوارکننده‌ای، ساختمان، بلوغ و عملکرد بافت موجود زنده را شبیه سازی می‌کنند.
دانشمندان پلتفرم خود را بر روی فیبرهای عصبی کاشت‌شده‌ای از طناب نخاعی موش و با بررسی استراتژی‌های متنوعی بمنظور تحریک و مهار فعالیت عصبی، آزمایش کردند. Gribi اذعان دارد: “بررسی‌های in vitro معمولا بر روی کشتهای نورونی در ظروف آزمایشگاهی انجام می‌شود. ولی این کشتها، تنوع نورونها (مانند انواع و قطر مختلف آنها) را که در بررسی‌های in vivo یافت می‌شود، شبیه سازی نمی‌کنند. در نتیجه ویژگی‌های سلولهای عصبی تغییر می‌کند. بعلاوه، میکروالکترودهای خارج سلولی که برخی دانشمندان معمولا استفاده می‌کنند، نمی‌تواند کل فعالیت یک نورون منفرد را در کشت ثبت کند.”
پلتفرم “عصب بر روی چیپ” که در EPFL طراحی شده‌است، می‌تواند در یک اتاق تمیز در دو روز انجام شده و قادر است صدها پاسخ عصبی را با نرخ سیگنال-به-نویز بالا و بصورت سریع ثبت کند. با این حال، چیزی که واقع آن را متمایز می‌کند این است که این پلتفرم می‌تواند فعالیت سلولهای عصبی منفرد را ثبت کند. این مطالعه در نشریه Nature Communications منتشر شده‌است.
مهار فعالیت نورونهای خاص
دانشمندان از پلتفرم عصب بر روی چیپ خود برای بررسی یک روش فوتوترمیک بمنظور مهار فعالیت عصبی استفاده کردند. Lacour می‌گوید: “مهار عصبی می‌تواند راهی برای درمان درد نوروپاتیک و درد مزمن مانند درد اندام فانتوم که پس از آمپوتاسیون بازو یا پا پدید می‌آید، باشد.”
دانشمندان یک پلیمر فوتوترمیک نیمه هادی با نام P3HT:PCBM بر روی برخی از الکترودهای چیپ قرار دادند. Gribi می‌گوید: “پلیمر زمانیکه در معرض نور قرار می‌گیرد، گرم می‌شود. به لطف حساسیت الکترودها، قادر بودیم تفاوت فعالیت میان فیبرهای عصبی کاشت شده متنوع را بسنجیم. بطور اختصاصی‌تر، فعالیت نازک‌ترین فیبرها غالبا مهار شده‌بود.” و آن فیبرهای نازک، nociceptor بودند. (nociceptors، نورونهای حسی هستند که درد را باعث می‌شوند.) گام بعدی، استفاده از این پلیمر در یک جزء قابل کاشت در اطراف یک عصب بمنظور مطالعه اثر مهاری در موجود زنده است.
وجه تمایز قائل شدن میان فیبرهای عصبی حسی و حرکتی
دانشمندان همچنبن از پلتفرم عصب بر روی چیپ برای بهبود موقعیت و هندسه‌ی الکترودها با هدف ساخت جزء قابل کاشتی که می‌تواند اعصاب محیطی را بازسازی کند، استفاده کردند. با وارد کردن داده‌های عصبی اندازه‌گیری شده در یک الگوریتم قوی، آنها قادر بودند سرعت و جهت حرکت ایمپالس عصبی را محاسبه کنند – و بهمین ترتیب، قادر بودند مشخص کنند ایمپالس ورودی، از یک عصب حسی است یا عصبی حرکتی. Lacour اذعان دارد: “این پلتفرم، مهندسان را برای ساخت اجزای قابل کاشت دو جهتی و انتخابی، توانا خواهد ساخت. این اجزا، کنترل طبیعی بیشتر بر روی اندامهای مصنوعی مانند دستهای مصنوعی را ممکن می‌سازند.”
