پژوهشگران چینی و ژاپنی موفق شدهاند یک تراشه ایمپلنت مغزی فوقانعطافپذیر توسعه دهند که پس از ۵۵۰ روز فعالیت در مغز، همچنان ۹۴ درصد از کیفیت اولیه سیگنالهای عصبی را حفظ میکند.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، این دستاورد میتواند یکی از بزرگترین چالشهای توسعه رابطهای مغز و رایانه (BCI) را برطرف کند و مسیر را برای ساخت ایمپلنتهای مغزی بادوامتر هموار سازد. تیمی از محققان دانشگاه Tsinghua، دانشگاه Tokyo و مؤسسه Shenzhen-Hong Kong Institute of Brain Science وابسته به آکادمی علوم چین این فناوری جدید را توسعه دادهاند. پژوهشگران در آزمایشهای حیوانی نشان دادند که این آرایه الکترودی میتواند بیش از ۱۸ ماه بدون افت محسوس عملکرد به ثبت سیگنالهای عصبی ادامه دهد.
رابطهای مغز و رایانه در سالهای اخیر پیشرفت چشمگیری داشتهاند. این فناوریها امکان کنترل اندامهای مصنوعی، بازیابی بخشی از توان حرکتی بیماران و برقراری ارتباط مستقیم میان مغز و سامانههای دیجیتال را فراهم میکنند. با وجود این، دوام محدود الکترودهای کاشتهشده در مغز همچنان یکی از مهمترین موانع تجاریسازی و استفاده بلندمدت از این فناوری محسوب میشود.
محققان توضیح دادهاند که مشکل اصلی از تفاوت ساختاری میان مغز و الکترودهای رایج ناشی میشود. بافت مغز نرم و انعطافپذیر است، اما بیشتر الکترودهای موجود از فلزات سختی مانند پلاتین ساخته میشوند. حرکت طبیعی مغز درون جمجمه باعث ایجاد اصطکاک میان این دو ماده میشود. در نتیجه، بدن برای محافظت از خود در اطراف الکترودها بافت اسکار ایجاد میکند. این فرایند به مرور زمان کیفیت سیگنالهای عصبی را کاهش میدهد و عملکرد ایمپلنت مغزی را مختل میکند.
پژوهشگران برای حل این مشکل از مادهای کاملاً آلی به نام CHIP استفاده کردهاند. این ماده نوعی هیدروژل رسانا است که انعطافپذیری بسیار بالایی دارد و میتواند با حرکات طبیعی مغز هماهنگ شود. هیدروژلها پیش از این نیز به دلیل سازگاری زیستی بالا مورد توجه قرار گرفته بودند، اما رسانایی الکتریکی محدود و تورم در تماس با مایعات بدن استفاده از آنها را دشوار میکرد.
تیم تحقیقاتی برای رفع این محدودیتها از یک روش ساخت جدید استفاده کرد. محققان ابتدا هیدروژل را روی یک لایه فوقنازک از جنس Parylene تثبیت کردند تا شکل آن حفظ شود. سپس ساختار الکترودی را در حالت کاملاً خشک و با استفاده از فناوری فوتولیتوگرافی با دقت بالا ایجاد کردند.
نتیجه این فرایند، تولید یک آرایه الکترودی ۱۲۸ کاناله با ضخامت تنها ۹ میکرومتر بود. این ضخامت از قطر یک تار موی انسان نیز کمتر است. همچنین پژوهشگران توانستند کانالهای الکترودی را با تراکم بسیار بالا در کنار یکدیگر قرار دهند و به چگالی دادهای دست پیدا کنند که حدود ۱۰ برابر بیشتر از نمونههای هیدروژلی قبلی است.
طبق نتایج منتشرشده، رسانایی الکتریکی این ماده به ۲۵۱۲ زیمنس بر سانتیمتر میرسد. این ویژگی امکان ثبت دقیق سیگنالهای بسیار ضعیف عصبی را فراهم میکند و کیفیت دادههای دریافتی را افزایش میدهد.
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد بلندمدت این فناوری، آرایههای الکترودی را در مغز خرگوشها کاشتند. حیوانات در طول آزمایش آزادانه حرکت میکردند و سامانه به صورت مداوم فعالیتهای عصبی آنها را ثبت میکرد.
نتایج آزمایشها نشان داد که پس از ۵۵۰ روز، نسبت سیگنال به نویز همچنان ۹۴ درصد کیفیت اولیه خود را حفظ کرده است. بررسیهای بافتشناسی نیز نشان داد که تقریباً هیچ التهاب قابل توجهی در اطراف ایمپلنت مغزی شکل نگرفته است. همچنین محققان واکنش شدید سیستم ایمنی یا تشکیل بافت اسکار ضخیم را مشاهده نکردند.
این ماده در آزمایشهای مکانیکی نیز عملکرد قابل توجهی از خود نشان داد. پژوهشگران آن را در معرض هزار چرخه کشش معادل ۳۰ درصد تغییر طول قرار دادند. این میزان تقریباً حداکثر تغییر شکلی است که بافت مغز میتواند تحمل کند. نتایج نشان داد که رسانایی الکتریکی ماده در طول این آزمایشها پایدار باقی مانده و تغییرات آن کمتر از چهار درصد بوده است.
محققان معتقد هستند که این فناوری میتواند باعث توسعه نسل جدیدی از رابطهای مغز و رایانه شود. ایمپلنتهای مغزی آینده باید بتوانند سالها یا حتی دههها بدون افت عملکرد در بدن باقی بمانند. هیدروژل رسانای جدید میتواند فاصله میان بافت زنده و تجهیزات الکترونیکی را کاهش دهد و زمینه را برای استفاده گستردهتر از فناوریهای عصبی در پزشکی و توانبخشی فراهم کند.
