محفز الدماغ العميق يستمد الطاقة من التنفس.. اتجاه تجريبي جديد واعد لعلاجات باركنسون والصرع والاكتئاب والوسواس القهري
يعمل جهاز دماغ تجريبي جديد، بدون بطارية، مزروع جراحيًا للحالات المزمنة والاضطرابات التنكسية العصبية على تعزيز الآمال في السعي الأبدي للحصول على علاجات فعالة إلى أقصى حد ولكنها قليلة التوغل.
تُستخدم الغرسات العصبية التي تحفز نسيجًا عميقًا في الدماغ كهربائيًا اليوم لعلاج مرض باركنسون والصرع. أظهر الباحثون أيضًا مؤخرًا أنه يمكن استخدام محاكاة الدماغ العميق لعلاج الاضطرابات العقلية مثل الإدمان والاكتئاب واضطراب الوسواس القهري واضطراب ما بعد الصدمة.
تدوم البطاريات التي تُشغل أجهزة التحفيز العميق للدماغ (DBS) لمدة ثلاث سنوات تقريبًا. ومع ذلك، فإن الجراحة لاستبدال البطاريات الضخمة يمكن أن تضيف تكلفة وتزيد من خطر الإصابة. للتغلب على هذه المشكلة، أنشأ الباحثون نظام DBS الذي يعمل على تجميع الطاقة وتخزينها من حركة الرئتين التنفسية.
يقول إسلام موسى، الكيميائي ومسؤول التكنولوجيا الرئيسي في جامعة كونيتيكت سبينوف VoltXon، التي تقوم بتسويق النظام المذكور في مجلة Cell Reports Physical Science : “محفزات الدماغ العميقة هي وحوش للطاقة، لذا تنفد البطارية بسرعة كبيرة”. “لقد أنشأنا أول جهاز لتحفيز الدماغ العميق وخالي من البطاريات ومستدام ذاتيًا.”
يستخدم التحفيز العميق للدماغ أقطابًا كهربائية مزروعة جراحيًا في الجزء الداخلي العميق من الدماغ لإرسال نبضات كهربائية بترددات مختلفة عبر الأقطاب الكهربائية. يوضع مولد النبضات تحت الجلد أسفل الترقوة مباشرة ويطلق الأقطاب الكهربائية عبر سلك تحت الجلد يمتد من الرقبة إلى الجمجمة.
يجب توصيل هذه النبضات الكهربائية إلى الدماغ بطريقة مضبوطة. كانت الجهود السابقة لإنشاء أنظمة DBS خالية من البطاريات تعتمد على حصاد الطاقة الميكانيكية للجسم إما غير قادرة على توصيل نبضات بتردد متحكم فيه أو لم تولد طاقة كافية لتشغيل الأقطاب الكهربائية.
يعمل جهاز دماغ تجريبي جديد ، بدون بطارية، مزروع جراحيًا للحالات المزمنة والاضطرابات التنكسية العصبية على تعزيز الآمال في السعي الأبدي للحصول على علاجات فعالة إلى أقصى حد ولكنها قليلة التوغل.
تُستخدم الغرسات العصبية التي تحفز نسيجًا عميقًا في الدماغ كهربائيًا اليوم لعلاج مرض باركنسون والصرع. أظهر الباحثون أيضًا مؤخرًا أنه يمكن استخدام محاكاة الدماغ العميق لعلاج الاضطرابات العقلية مثل الإدمان والاكتئاب واضطراب الوسواس القهري واضطراب ما بعد الصدمة.
تدوم البطاريات التي تُشغل أجهزة التحفيز العميق للدماغ (DBS) لمدة ثلاث سنوات تقريبًا. ومع ذلك، فإن الجراحة لاستبدال البطاريات الضخمة يمكن أن تضيف تكلفة وتزيد من خطر الإصابة. للتغلب على هذه المشكلة، أنشأ الباحثون نظام DBS الذي يعمل على تجميع الطاقة وتخزينها من حركة الرئتين التنفسية.
يقول إسلام موسى، الكيميائي ومسؤول التكنولوجيا الرئيسي في جامعة كونيتيكت سبينوف VoltXon، التي تقوم بتسويق النظام المذكور في مجلة Cell Reports Physical Science : “محفزات الدماغ العميقة هي وحوش للطاقة، لذا تنفد البطارية بسرعة كبيرة”. “لقد أنشأنا أول جهاز لتحفيز الدماغ العميق وخالي من البطاريات ومستدام ذاتيًا.”
يستخدم التحفيز العميق للدماغ أقطابًا كهربائية مزروعة جراحيًا في الجزء الداخلي العميق من الدماغ لإرسال نبضات كهربائية بترددات مختلفة عبر الأقطاب الكهربائية. يوضع مولد النبضات تحت الجلد أسفل الترقوة مباشرة ويطلق الأقطاب الكهربائية عبر سلك تحت الجلد يمتد من الرقبة إلى الجمجمة.
يجب توصيل هذه النبضات الكهربائية إلى الدماغ بطريقة مضبوطة. كانت الجهود السابقة لإنشاء أنظمة DBS خالية من البطاريات تعتمد على حصاد الطاقة الميكانيكية للجسم إما غير قادرة على توصيل نبضات بتردد متحكم فيه أو لم تولد طاقة كافية لتشغيل الأقطاب الكهربائية.
طور Mosa، أستاذ الكيمياء في جامعة UConn، جيمس روسلينج، وزملاؤهم نوعًا جديدًا من المولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية (TENG) لجمع الطاقة من حركات الرئة، ومكثف فائق لتخزين تلك الطاقة. كلا الجهازين فائق النحافة ومرنة.
تعتمد TENG على تراكم الشحنة الكهربائية عندما تتسبب الحركات المتكررة في انفصال قطبيهما، المصنوعين من مواد غير متشابهة، والالتقاء معًا. لقد تم إثبات قدرتها على توليد الطاقة من الخطوات وحركة العضلات والرياح، من بين أمور أخرى، ولكن لم يتم تسويقها بعد على نطاق واسع.
يعتمد TENG الجديد على الاتصال وفصل الأفلام المصنوعة من نوعين مختلفين من البلاستيك. لكن الباحثين أضافوا أيضًا طبقة إضافية من “البيوجرافين” – والتي يصنعونها عن طريق طلاء نسيج من ألياف الكربون الدقيقة برقائق الجرافين والبروتين. يقول Mosa إن هذا السيرة الذاتية بمثابة TENG إضافي، بسبب الحركة النسبية بين مواد الكربون والبروتين، مما يعزز الطاقة التي ينتجها TENG. الجهاز بأكمله هو سمك الورق ، وجهاز 4 × 5 سم يولد 6.9 ميكرو واط لكل دورة فصل تلامس.
تُخزن هذه الطاقة في المكثف الفائق، الذي يصنعه الباحثون عن طريق وضع مادة هلامية في الإلكتروليت بين قطبين بيوجرافين. بمجرد شحن المكثف الفائق، يقوم بتشغيل مولد النبض لإطلاق القطب المزروع.
للاستخدام العملي، لن يتم وضع TENG على أنسجة الرئة الحساسة، ولكن يتم تثبيتها داخل القفص الصدري، كما يقول. ثم تضغط الرئتان على الجهاز وتحرره في كل مرة يتنفس فيها الشخص ويخرج منه.
اختبر الباحثون نظامهم خارج الجسم الحي في الوقت الحالي، مع وضع TENG على نموذج قفص صدري به رئتي خنازير فعلية تم نفخهما وتفريغهما باستخدام مضخة، والمكثف الحيوي المتصل بأقطاب كهربائية تحفز أنسجة دماغ الفأر في طبق بتري.
بينما تعمل أنظمة DBS التجارية على تحفيز الدماغ كهربائيًا باستمرار، وتوصيل 60 إلى 180 نبضة في الثانية ، فإن النظام الجديد مخصص لتحفيز DBS المتقطع. أظهرت الأبحاث مؤخرًا أن التحفيز المتقطع قد يكون أكثر فاعلية في حالات مثل مرض الزهايمر والذاكرة والاكتئاب واضطراب ما بعد الصدمة، كما يقول موسى.
يقول: “بعد ذلك، نخطط لإجراء دراسة طويلة المدى في الجسم الحي”.
