تطوير خلايا عصبية شديدة المرونة تحاكي الأعصاب الحقيقية

تساعد الأعصاب الاصطناعية القابلة للمط على استعادة الحركة في الفئران, النهج الجديد للأعصاب العصبية أكثر مرونة وأقل جوعًا للطاقة من التصميمات الأخرى. وغالبًا ما تكون الأجهزة التعويضية العصبية التقليدية التي تهدف إلى مساعدة المرضى على تجاوز تلف الأعصاب صلبة ومتعطشة للطاقة.

ووفقا لـ مجلة Nature Biomedical Engineering . طور العلماء الآن أعصابًا اصطناعية قابلة للمط ساعدت الفئران المصابة بالشلل على الركض على جهاز المشي وركل الكرة بينما تستهلك أقل من مائة من طاقة المعالج الدقيق النموذجي. يقترح العلماء أن هذه الأعصاب الاصطناعية قد تستخدم يومًا ما في جسم الإنسان.

للمساعدة في استعادة الحركة للمرضى الذين عانوا من تلف الأعصاب من الإصابات أو الأمراض، يبحث العلماء عن أجهزة تعويضية عصبية يمكن أن تساعد في نقل الإشارات من الدماغ إلى العضلات أو الأعصاب. ومع ذلك، غالبًا ما تواجه هذه الأنظمة عددًا من القيود الحرجة، كما يقول المؤلف المشارك في الدراسة تاي-وو لي، عالم المواد في جامعة سيول الوطنية.

على سبيل المثال، غالبًا ما تعتمد الأنظمة التعويضية العصبية التقليدية على أنظمة الحوسبة الخارجية المتعطشة للطاقة. كما أنها تحفز الجسم عادةً بنبضات كهربائية ذات قوة ثابتة تزيد وتقل بشكل مفاجئ في الحجم، “مما يتسبب في تقلص حاد في العضلات مما يجعل المرضى غير مرتاحين”، كما يقول لي.

للمساعدة في توليد المزيد من الحركات الطبيعية والمريحة، قد تضيف الأنظمة التعويضية العصبية التقليدية زيادة الجهد أثناء بدء التحفيز الكهربائي ونهايته. ومع ذلك، فإن هذا يتضمن أجهزة إضافية تُعرف باسم مولدات الوظائف التي تكون عادةً صلبة وضخمة، كما يقول لي، مما يجعلها غير مناسبة لجسم الإنسان.

في الدراسة الجديدة، طور الباحثون أعصابًا إلكترونية شديدة المرونة تحاكي الأعصاب الحقيقية. مثل الأعصاب الحقيقية يمكن لهذه الأعصاب الاصطناعية أن تنقل إشارات كهربائية تتصاعد تدريجياً وتنخفض في قوتها. تستهلك الأطراف الاصطناعية العصبية هذه أيضًا حوالي 1/150 من طاقة المعالج الدقيق النموذجي.

يتكون الجهاز الجديد من ترانزستور أسلاك نانوية عضوي قابل للمط يعمل على تحفيز العضلات كهربائيًا باستخدام أقطاب هيدروجيل مرنة ومرنة. يعمل هذا الجهاز المستوحى من علم الأحياء أو “المحاكاة الحيوية” مثل المشبك الاصطناعي، وهو تقاطع يربط الخلايا العصبية معًا في جسم الإنسان.

يقترن الجهاز عبر هلام أيوني بجهاز استشعار الأنابيب النانوية الكربونية الذي يكتشف الإجهاد. يعمل هذا كنسخة مصطنعة من جهاز استشعار يستقبل إشارات من داخل الجسم لمساعدته على تتبع موقعه وحركاته. استخدم الباحثون هذا المستقبِل الاصطناعي لإعطاء تغذية راجعة في الوقت الفعلي إلى العصب الإلكتروني. ساعد هذا في منع العصب الاصطناعي من التحفيز الزائد والإرهاق لعضلات أرجل الفأر ، كل ذلك دون الحاجة إلى أجهزة كمبيوتر خارجية للتحكم في الحركات.

في الدراسة الجديدة، أجرى الباحثون تجارب على فئران قاموا بتخديرها لشل عضلاتهم من أجل محاكاة الإصابات أو الأمراض التي تستهدف الأعصاب. وجدوا أنهم يستطيعون استخدام أعصابهم الاصطناعية ومستقبلاتهم الأولية لتوليد حركات ساق ناعمة منسقة، بما في ذلك المشي والجري على جهاز المشي أو ركل الكرة. كما أظهروا أن بإمكانهم استخدام الأطراف الاصطناعية لتحريك أرجل الفئران بإشارات كهربائية مسجلة من أدمغة القوارض.

يقول لي: “عملنا هو المثال الأول لإيصال الإشارات العصبية البيولوجية من خلال الأعصاب الإلكترونية المحاكاة الحيوية إلى الأعضاء البيولوجية”. “من خلال هذا، يبدو من الممكن تقديم حلول واستراتيجيات جديدة لتلف الأعصاب لدى البشر مثل إصابة الحبل الشوكي، وتلف الأعصاب المحيطية، والأضرار العصبية مثل مرض لو جيريج، ومرض باركنسون، وهنتنغتون.”

بالإضافة إلى التطبيقات الطبية المحتملة، “قد يتم تطبيق تقنية مصدر العصب الاصطناعي القابل للمط على تقنيات طبية متنوعة يمكن ارتداؤها”، كما يقول المؤلف المشارك الرئيسي للدراسة زينان باو، كيميائي المواد في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا.