ساخت حسگرهای تزریقی کوچکی که بدون نیاز به جراحی، بر فعالیت مغز نظارت می‌کنند
پژوهشگران حسگرهایی در مقیاس نانو ساخته‌اند که می‌توانند به بدن تزریق شوند تا به شکل غیر تهاجمی فعالیت مغز را با استفاده از نور دنبال کنند. این رویکرد می‌تواند روزی راهی جدید برای مطالعه مغز یا ارزیابی عملکرد مغز بیماران بدون نیاز به جراحی یا دستگاه‌های کاشتنی فراهم کند.
علی یانیک، از دانشگاه کالیفرنیا در سانتا کروز، در کنگره مجازی تصویربرداری OSA و اپتیک کاربردی که ۱۹ تا ۲۳ جولای برگزار می‌شود، فناوری جدید را که NeuroSWARM3 نام دارد، گزارش خواهد کرد. یانیک می‌گوید:
NeuroSWARM3 می‌تواند سیگنال‌های همراه افکار را به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری از راه دور تبدیل کند تا تعامل مغز و رایانه‌ی دقیقی برقرار شود. این فناوری افراد دچار ناتوانی‌های جسمی را قادر خواهد ساخت تا به‌طور مؤثر با دنیای خارج ارتباط برقرار کنند و برای غلبه بر محدودیت‌های بدن بتوانند فناوری اسکلت خارجی پوشیدنی را کنترل کنند. دستاورد ما همچنین می‌تواند سیگنال‌های اولیه بیماری‌های عصبی را ثبت کند.
رویکرد توصیف‌شده روش جدیدی برای نظارت بر فعالیت الکتریکی مغز با استفاده از ردیابی است و کل سیستم آن روی نانوذره‌ای قرار دارد که اندازه‌ی آن به اندازه یک ذره‌ی ویروسی است.
نورون‌ها برای انتقال اطلاعات به یکدیگر از سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌کنند؛ بنابراین، سیگنال‌های مذکور برای تفکر، حافظه و حرکت بسیار مهم هستند.
روش‌های زیادی برای دنبال کردن فعالیت الکتریکی مغز ابداع شده است؛ اما بیشتر آن‌ها به جراحی نیاز دارند یا دستگاه کاشتنی باید به جمجمه نفوذ کند و به‌طور مستقیم با نورون‌ها در تعامل باشد.
روش جدید شامل وارد کردن نانوذرات الکتروپلاسمونیک مهندسی‌شده به مغز است که سیگنال‌های الکتریکی را به سیگنال‌های نوری تبدیل می‌کند و اجازه می‌دهد فعالیت مغز با استفاده از شناساگر نوری در خارج از بدن ردیابی شود. این نانوذرات از هسته‌ای از جنس سیلیکون اکسید با عرض ۶۳ نانومتر و لایه‌ی نازکی حاوی پلی (۳، ۴-اتیلن دی‌اکسی‌تیوفن) و پوشش طلا به ضخامت ۵ نانومتر تشکیل شده‌اند. از آنجا که پوشش این نانوذرات به آن‌ها اجازه می‌دهد از سد خونی‌مغزی عبور کنند، می‌توانند به جریان خون یا مستقیما به مایع مغزی‌نخاعی تزریق شوند.
نانوحسگرهای جدید وقتی وارد مغز می‌شوند، به تغییرات محلی در میدان الکتریکی بسیار حساس هستند. در آزمایش‌های آزمایشگاهی، نمونه‌های اولیه آزمایشگاهی NeuroSWARM3 قادر به تولید نسبت سیگنال به نویز بالای هزار بود؛ سطحی از حساسیت است که برای تشخیص سیگنال‌های الکتریکی حاصل از شلیک نورون‌ها مناسب است. یانیک می‌گوید:
ما پیشگام استفاده از پلیمرهای الکتروکرومیک (مثلاً PEDOT:PSS) برای تشخیص نوری [بی‌سیم] سیگنال‌های الکتروفیزیولوژیک بودیم. مواد الکتروکرومیک با ویژگی‌های نوری که بتوانند به‌طور برگشت‌پذیر توسط میدان خارجی تنظیم شوند، به‌طور معمول در کاربردهای شیشه‌ای/آینه‌ای هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرند.
فناوری NeuroSWARM3 را می‌توان به‌عنوان یک آنتن پلاسمونیک بارگذاری‌شده به شیوه الکتروکرومیک در مقیاس نانو در نظر گرفت که به‌صورت معکوس کار می‌کند: به جای اعمال ولتاژ مشخص، ویژگی‌های نوری آن توسط شلیک سلول‌های الکتروژنیک مجاور تنظیم می‌شود؛ بنابراین NeuroSWARM3 امکان تشخیص سیگنال بیوالکتریک میدان دور را در دستگاه واحدی در مقیاس نانوذره فراهم می‌کند که تغذیه بی‌سیم، تشخیص سیگنال الکتروفیزیولوژیک و قابلیت‌های پخش اطلاعات را در ابعاد نانو بسته‌بندی می‌کند.
سیگنال‌های نوری تولیدشده به وسیله‌ی ذرات NeuroSWARM3 را می‌توان خارج از مغز با استفاده از نور مادون قرمز نزدیک با طول موج بین ۱۰۰۰ تا ۱۷۰۰ نانومتر تشخیص داد. این نانوذرات بدون نیاز به منبع تغذیه یا سیم می‌توانند به‌طور نامحدود کار کنند.
پژوهشگران دیگر با استفاده از نقاط کوانتومی طراحی‌شده برای پاسخ به میدان‌های الکتریکی رویکرد مشابه را بررسی کرده‌اند. مقایسه‌ی این دو فناوری نشان داد سیگنال نوری حاصل از NeuroSWARM3 ۴ برابر بزرگ‌تر است. برای تولید سیگنال قابل مقایسه، به نقاط کوانتومی با شدت نور ۱۰ برابر و ۱۰۰ برابر پروب بیشتر نیاز است. یانیک می‌گوید:
هنوز در مراحل اولیه این فناوری جدید هستیم؛ اما فکر می‌کنم پایه‌ی خوبی داریم که روی آن کار کنیم. هدف بعدی ما آغاز آزمایش‌های حیوانی است.
نظرات