در حال حاضر دنیا شاهد پیشرفت‌ها و موفقیت‌های بزرگی در زمینه ریزسیستم‌های قابل کاشت در بدن است، پیشرفت‌ها در این زمینه به حدی بوده است که امروزه سیگنال‌های عصبی امکان کنترل اندام‌های مصنوعی یا حرکت اشاره‌گر بر روی صفحه نمایش را به طور مستقیم توسط فکر انسان فراهم کرده است.


به گزارش مرکز ارتباطات و اطلاع‌رسانی معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری، سیستم عصبی یکی از ناشناخته‌ترین و پیچیده‌ترین قسمت‌های بدن در میان سایر بخش ها است. به همین دلیل است که درمان بیماری‌های مرتبط با سیستم عصبی از سخت‌ترین درمان‌ها محسوب می‌شود. اگر چه نخستین پژوهش‌ها در زمینه مطالعه سیستم عصبی انسان و‌ بازگرداندن توان حرکتی به بیماران ناتوان حرکتی با استفاده از تحریک الکتریکی، به بیش از 250 سال پیش برمی‌گردد، اما در دهه 60 میلادی و همزمان با پیشرفت سریع علم میکروالکترونیک بود که امکان ساخت آرایه‌های میکروالکترود فراهم شد و محققین فعال در زمینه های مهندسی و پزشکی را بر آن داشت تا فعالیت‌شان را برای درک سیستم عصبی در سطح سلول، در زمینه‌های تحریک سلول های عصبی و همچنین ثبت فعالیت‌ سیگنال‌های عصبی بیشتر کنند.

اکنون پس از گذشت 50 سال از آن زمان، دنیا شاهد پیشرفت‌ها و موفقیت‌های بزرگی در زمینه ریزسیستم‌های قابل کاشت در بدن است. ریزسیستم‌های تحریک عصبی که برای درمان ناشنوایی با استفاده از کاشت ریزسیستم مجرای حلزونی توسعه یافته‌اند، روش تحریک عمقی مغز که برای درمان بیماری پارکینسون استفاده می‌شوند، دستگاه تنظیم ضربان قلب، پروتزهای بینایی که برای بازگرداندن حس بینایی به نابینایان ساخته شده‌اند و همچنین تمامی ریزسیستم‌هایی که برای درمان معلولیت یا مدیریت درد به کار می‌روند، شاهدی بر این ادعا است. همچنین ریزسیستم‌های ثبت فعالیت‌های سیگنال عصبی، کمک فراوانی به محققان حوزه عصب‌شناسی در زمینه شناخت سیستم عصبی کرده اند. پیشرفت‌ها در این زمینه به حدی بوده است که امروزه سیگنال‌های عصبی امکان کنترل اندام‌های مصنوعی یا حرکت اشاره‌گر بر روی صفحه نمایش را به طور مستقیم توسط فکر انسان فراهم کرده است. همچنین ریزسیستم‌های قابل کاشت در بدن می‌توانند علائم حیاتی بدن انسان مانند فشار خون، فشار داخل چشم و جمجمه را اندازه‌گیری کرده و برای مطالعه یا مراقبت از بیمار به بیرون از بدن وی ارسال کنند. از دیگر دستاوردهای پژوهشگران در این عرصه، می‌توان به سامانه رساننده دارو به نقاط خاص بدن و همچنین به آندوسکپی با استفاده از کپسول با ارتباط بی‌سیم اشاره کرد.

بخش‌های اساسی تشکیل دهنده یک سيستم قابل کاشت در بدن/پوشیدنی عبارتند از: بخش ارتباط بی‌سیم قسمت داخلی و خارجی سیستم برای انجام مدوله‌سازی و وامدوله‌سازی داده، بخش تأمین توان، بخش کنترل کننده دیجیتال مرکزی و طبقه‌های ورودی و خروجی (بخش ثبت سیگنال‌های عصبی و بخش تحریک سلول‌های عصبی). این نکته قابل توجه است که علاوه بر بخش داخلي که در داخل بدن کاشته/پوشیده مي‌شود، به یک بخش خارجي نيز براي ارسال اطلاعات مورد نياز تحریک الکتریکی و دریافت سیگنال‌های الکتریکی ثبت شده و همچنین توان مصرفي مورد نياز است که این دو ماژول از طریق یک ارتباط بي‌سيم با یکدیگر در ارتباط هستند. از آنجایي که بخش خارج از بدن این سیستم‌ها، در بسياري از موارد، با محدودیت‌هایي نظير اندازه و توان مصرفي همراه نيست، پياده‌سازي ساده‌تري نسبت به بخش کاشته شده در بدن دارد و بنابراین طراحی آن چالش برانگيز نیست. به همين دليل سعي مي‌شود پردازش‌هاي مربوط به داده‌هاي ورودي که نياز به سخت‌افزار اضافي و توان مصرفي دارند، در بخش خارجي انجام شود.

یکی از کاربردهای ریزسیستم‌های قابل کاشت در بدن، مدارهای واسط مغز و ماشین است. امروزه ارتباط بین مغز و ماشین، امکان شناسایی، دسته بندی و مطالعه برروی فعالیت‌های الکتریکی مغز و استفاده از آن به عنوان یک فرمان کنترلی برای انجام یک فعالیت مشخص شده در دنیای خارج را فراهم کرده است. واسط مغز و ماشین به سامانه‌ای گفته می‌شود که بتواند ارتباط بین مغز یک موجود زنده و دستگاه یا ماشینی در دنیای خارج را برقرار سازد. از کاربردهای عمده مدارهای واسط مغز و ماشین می‌توان به پژوهش‌های بنیادین در علوم شناختی شامل درمان برخی بیماری‌های شناختی مثل اوتیسم و ارتقای توجه و حافظه اشاره کرد. از دیگر کاربردها، بحث بازتوانی افراد دچار نواقص حرکتی مانند افراد دچار فلج اعضای بدن است که دارای اهمیت ویژه است. کنترل شرایط محیطی برای بیمارانی که به دلایلی مانند فلج و یا آسیب قشر مغزی خود قادر به حرکت نیستد و از ناتوانی در انجام روزمره زندگی خود رنج می‌برند، مساله‌ای بسیار دردآور است. به منظور کمک به این بیماران، سامانه‌هایی طراحی شده‌اند که به کمک آن‌ها می‌توان کنترل نور اتاق، دمای محیط، زاویه تخت خواب، تلفن، ساعت زنگی، تلویزیون و موارد مشابه را با سیگنال‌های مغزی در اختیار گرفت.

یکی از بلوک‌های اصلی در مدارهای واسط مغز و ماشین، واحد ثبت سیگنال‌های عصبی از مغز است. روش‌های مختلفی برای ثبت فعالیت‌های مغز وجود دارد که می‌توانند برای کاربردهایBMI  مورد استفاده قرار گیرند. این روش‌ها به دو دسته روش‌های الکتریکی و غیرالکتریکی تقسیم‌بندی می‌شوند. روش‌های غیرالکتریکی مانند مگنتوانسفالوگرافی، توموگرافی گسیل پوزیترون، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی و تصویربرداری نوری است که به عنوان روش‌هایی گران ‌قیمت با تجهیزات بزرگ و حجیم شناخته می‌شوند. علاوه ‌بر این نکته منفی، روش‌های PET، fMRI و fNIR که به پروسه متابولیک بستگی دارند، ثابت زمانی طولانی دارند و بنابراین برای کاربردهایی مانند ارتباط ماشین و مغز که نیاز به ارتباط سریع‌تری وجود دارد، مناسب نیستند. از طرف دیگر، روش‌های ثبت الکتریکی به دلیل ویژگی‌های خاصی که دارند، مورد علاقه محققینی هستند که در زمینه ارتباط مغز و ماشین فعالیت می‌کنند. این روش‌ها، شامل الکتروانسفالوگرافی (EEG)، ثبت درون سلولی و الکتروکورتیکوگرافی است.

 

فعالیت لحظه‌ای سلول‌های مغزی که در زمان کوتاهی در حدود 20 الی 40 دقیقه، توسط الکترودهای چندتایی که بر روی سر قرار می‌گیرند ثبت می شود، با عنوان الکتروانسفالوگرافی یا به اختصار EEG شناخته می‌شود. از جمله مزایای ثبت فعالیت‌های مغز به روش EEG نسبت به سایر روش‌ها، می‌توان به عدم تهاجمی بودن آن و همچنین پوشش تمام سطح مغر اشاره کرد. علی-رغم محاسن قابل توجه این روش، ایرادهایی نیز مانند محدود کردن فعالیت عادی کاربر، ضعیف بودن سطح سیگنال دریافتی و کم بودن تفکیک زمانی و مکانی از جمله ویژگی‌هایی هستند که ثبت فعالیت مغز به روش EEG را برای بسیاری از کاربردهای BMI و علوم اعصباب ناکارآمد ساخته است.

همان طور که در سطور بالا توضیح داده شد، سیگنال‌های عصبی به طور معمول توسط دستگاه‌های EEG ثبت می‌شوند. سامانه EEG، در واقع برآیندی از سیگنال‌های مغزی را دریافت می‌کند و حال آن‌ که برای دانشمندان حوزه عصب شناسی مطلوب آن است که بتوانند فعالیت سلول‌های عصبی را به طور مجزا مورد مطالعه قرار دهند. برای این منظور، ثبت سیگنال‌های درون غشایی، یک روش مرسوم می‌باشد که به کمک این روش می‌توان تمام تغییرات پتانسیل غشای سلول عصبی را مورد مطالعه قرار داد. این در حالی است که در روش‌های ثبت فعالیت‌های عصبی برون سلولی، فعالیت سلول تنها زمانی قابل مشاهده است که تغییرات پتانسیل غشای سلول بیش از آستانه قابل تحمل آن شده و منجر به آتش کردن و در نتیجه تولید پتانسیل عمل شود. ثبت ولتاژ درون سلولی معمولاً بوسیله الکترود سوزنی از جنس سیلیکون انجام می‌شود، به گونه‌ای که غشای سلول پس از شکافته شدن با مایع داخل سلولی تماس پیدا می‌کند. اگرچه دقت ثبت فعالیت فعالیت درون سلولی، به دلیل نزدیکی الکترود به هسته سلول عصبی زیاد است، اما به این روش، نمی‌توان تعداد زیادی از سلول‌های عصبی را تحت پوشش قرار داد. از طرفی ثبت درون سلولی در شرایط غیر فیزیولوژیکی و در برش‌های بافت و در زمان بیهوشی انجام می‌شود و در ضمن به سلول‌ نیز آسیب می‌رساند. تهاجمی بودن این روش به طور کامل مشخص است که این عامل می‌تواند منجر به عفونت و کاهش کیفیت سیگنال‌های ثبت شده با گذشت زمان شود. ثبت سیگنال‌های عصبی از سطح مغز یا الکتروکورتیکوگرام (ECoG) به منزله روشی دیگر که امکان دسترسی به سیگنال‌های با کیفیت بسیار بالاتر نسبت به سیگنال‌های EEG را داراست و همچنین با تهاجم بسیار کمتر در مقایسه با کاشت الکترود داخل مغز، امکان ثبت فعالیت‌های الکتریکی سلول‌های عصبی را فراهم می‌کند، در چند سال اخیر مورد توجه قرار گرفته است.  سیگنال‌های دریافتی از طریق روش ECoG، فعالیت تعداد زیادی از نورون‌های قرار گرفته در زیر الکترود به کار گرفته شده در این روش را منعکس می‌کنند. با توجه به این که در این روش الکترودها به داخل قشر مغز نفوذ نمی‌کنند و با توجه به کمتر تهاجمی بودن روش ECoG نسبت به روش ثبت درون سلولی و پایداری زمانی بالاتر این روش، در طی سال‌های اخیر، جای پای محکمی در بسیاری از کاربردهای BMI برای روش ECoG باز شده است.

بنابراین به طور کلی الکترودهای قابل کاشت در بدن باید الزاماتی از قبیل زیست‌سازگاری و غیر سمی ‏بودن، استحکام مکانیکی کافی و عدم خوردگی در دراز مدت را بر آورده کنند. همچنین این میکروالکترودها باید قابلیت تثبیت موقعیت بر روی بافت مورد نظر را داشته باشند. میکروالکترودهای قابل کاشت در یک دسته‌بندی، به ساختارهای انعطاف‌پذیر و غیر انعطاف‌پذیر تقسیم می-شوند. اکثر میکرو الکترود‏های قابل کاشت در بدن از جنس سیلیکون ساخته می‌شوند. میکروالکترودهای سیلیکونی، زیست‌سازگاری خوبی نشان می‏دهند و مزیت سازگاری با مدارهای مستقر بر روی تراشه CMOS را دارند. با این وجود، سیلیکون از نظر مکانیکی سفت، سخت و شکننده است که می‏تواند باعث آسیب شدید به بافت یا از دست رفتن عملکرد سیستم کاشته شده در بدن گردد. با وجود پیشرفت‏های چشمگیری که در الکترودهای قابل کاشت طولانی ‌مدت صورت گرفته است، فقدان روشی فراگیر برای کاشت و انتخاب مواد مورد استفاده در ساخت الکترود، تلاش‌های زیادی را در زمینه ساخت الکترودها با استفاده از مواد و روش‌های مختلف موجب شده است. مواد متداول دیگری که برای ساخت میکروالکترود استفاده می‌شوند، شامل پلاتین، ایریدیوم، پالی‌ایمید، سرامیک و طلا هستند. از موارد مهم در طراحی میکروالکترودها توجه به این نکته است که آسیب ناشی از الکترودها در کوتاه مدت به‏ دلیل ورود آن به بافت نیز باید مورد توجه قرار گیرد. برخی از این آسیب‌‌ها عبارتند از: مرگ سلول مورد نظر، قطع فرآیندهای عصبی و رگ‏های خونی، فشرده سازی مکانیکی بافت، و تجمع بقایای حاصل از مرگ سلولی. حاصل توجه به این نوع آسیب‌ها، منجر به تحقیقات در به حداقل رساندن آن و همچنین به بررسی هندسه الکترود و یافتن روشی مناسب برای ورود میکروالکترود به بافت شده است. ستاد توسعه علوم و فناوری های شناختی معاونت نیز در زمینه ریز سسیستم های قابل کاشت در بدن فعالیت های متنوعی را انجام داده است و از طرح های تحقیقاتی محققان کشور در زمینه حمایت می کند.

انتهای پیام/25