به تازگی مهندسان MIT یک دستگاه فراصوت نازک جدید به نام ImPULS را توسعه دادند، که با تحریک عمیق مغزی به صورت دقیق و کم‌تهاجمی، یک پیشرفت بالقوه در درمان اختلالات عصبی ارائه می‌کند.
به گزارش تک‌ناک، این فناوری می‌تواند جایگزین روش‌های سنتی مبتنی بر الکترود شود، که اکنون برای درمان پارکینسون و سایر بیماری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند و نویدبخش کاهش آسیب بافتی و افزایش کارایی باشد.
این دستگاه فوق‌العاده نازک و قابل کاشت، از امواج صوتی برای تحریک نورون‌ها استفاده می‌کند، که باعث کاهش آسیب‌های بافتی و افزایش کارایی درمان‌های مغزی می‌شود. این دستگاه در آزمایش‌ها باعث تحریک فعالیت نورون‌های تولیدکنندۀ دوپامین شده است و می‌تواند به درمان بیماری‌هایی مانند پارکینسون کمک کند.
اغلب برای درمان بیماری پارکینسون و سایر اختلالات عصبی، از تحریک عمیق مغز توسط الکترودهای کاشته شده که پالس‌های الکتریکی را به مغز می‌رساند، استفاده می‌شود. با وجود این، الکترودهای مورد استفاده برای این درمان در نهایت ممکن است خورده شوند و با بافت زخمی تداخل پیدا کنند و در نتیجه نیاز به برداشتن آنها وجود داشته باشد.
محققان MIT به‌تازگی یک رویکرد جایگزین ایجاد کرده‌اند که از امواج فراصوت به جای الکتریسیته برای انجام تحریک عمیق مغز استفاده می‌کند، که توسط فیبری به ضخامت یک موی انسان ارسال می‌شود. در مطالعه بر روی موش‌ها، محققان نشان دادند که این تحریک می‌تواند نورون‌ها را برای ترشح دوپامین در بخشی از مغز که اغلب در بیماران مبتلا به پارکینسون هدف قرار می‌گیرد، تحریک کند. این مطالعه 4 ژوئن در مجلۀ Nature Communications منتشر شد.
کانان داگدویرن، نویسندۀ ارشد این مطالعه گفت: با استفاده از فراصوت، می‌توانیم روش جدیدی برای تحریک نورون‌ها برای برانگیختگی عمیق مغز ایجاد کنیم. این دستگاه از فیبر مو نازک‌تر می‌باشد، بنابراین آسیب بافتی ناچیز خواهد بود و هدایت این دستگاه در اعماق مغز برای ما آسان است.
مزایای تحریک مبتنی بر فراصوت
این رویکرد علاوه بر ارائه یک راه ایمن‌تر برای تحریک عمیق مغز، می‌تواند ابزار ارزشمندی برای محققانی باشد که به دنبال کسب اطلاعات بیشتر در مورد شیوۀ عملکرد مغز هستند.
آزمایشگاه داگدویرن قبلاً هم یک دستگاه فراصوت قابل پوشیدن را توسعه داده است، که می‌تواند برای انتقال دارو از طریق پوست، یا انجام تصویربرداری تشخیصی از اندام‌های مختلف استفاده شود. با وجود این، فراصوت نمی‌تواند از دستگاهی که به سر یا جمجمه متصل است، به عمق مغز نفوذ کند.
داگدویرن عنوان کرد: اگر بخواهیم به اعماق مغز برویم، باید از یک دستگاه قابل کاشت استفاده کنیم. ما با دقت دستگاه را طراحی کردیم تا به کمترین میزان ممکن تهاجمی باشد.
تحریک عمیق مغز با تکانه‌های الکتریکی، درمان مورد تأیید FDA برای درمان علائم بیماری پارکینسون است. این روش از الکترودهایی با ضخامت میلی‌متری برای فعال کردن سلول‌های تولیدکنندۀ دوپامین در ناحیه‌ای از مغز به نام جسم سیاه استفاده می‌کند. هر چند پس از کاشت در مغز، دستگاه‌ها در نهایت شروع به خوردگی می‌کنند و بافت زخمی که در اطراف ایمپلنت ایجاد می‌شود، ممکن است با تکانه‌های الکتریکی تداخل داشته باشد.
طراحی جدید و کاربرد فراصوت در مغز
محققان MIT تصمیم گرفتند تا با جایگزینی تحریک الکتریکی با امواج فراصوت بر برخی از این معایب غلبه کنند. اکثر نورون‌ها دارای کانال‌های یونی هستند که به تحریک مکانیکی مانند: ارتعاشات امواج صوتی پاسخ می‌دهند، بنابراین می‌توان از امواج فراصوت برای ایجاد فعالیت در آن سلول‌ها استفاده کرد. با وجود این، فناوری‌های موجود برای رساندن امواج فراصوت به مغز از طریق جمجمه نمی‌توانند با دقت بالا به عمق مغز برسند، چرا که خود جمجمه می‌تواند با امواج فراصوت تداخل کند و باعث تحریک خارج از هدف شود.
عثمان نایم یکی از نویسندگان اصلی این مقاله گفت: برای تعدیل دقیق نورون‌ها، باید عمیق‌تر برویم که این مسئله ما را به طراحی نوع جدیدی از ایمپلنت مبتنی بر فراصوت سوق داد، که قادر باشد میدان‌های فراصوت موضعی تولید کند. برای رسیدن ایمن به آن نواحی عمیق مغز، محققان یک الیاف نازک به اندازۀ موی ساخته شده از یک پلیمر انعطاف‌پذیر طراحی کردند. نوک فیبر حاوی یک مبدل فراصوت درام‌مانند با یک غشای ارتعاشی است. این غشاء که یک فیلم پیزوالکتریک نازک را در خود محصور می‌کند، توسط یک ولتاژ الکتریکی کوچک هدایت می‌شود، امواج اولتراسونیک تولید می‌کند که می‌تواند توسط سلول‌های مجاور شناسایی شود.
جیسون هو از دیگر نویسندگان اصلی این مطالعه نیز عنوان کرد: این دستگاه برای بافت بی‌خطر است، هیچ سطح الکترود در معرض دیدی وجود ندارد و بسیار کم مصرف می‌باشد.
مفاهیم و جهت‌گیری‌های آینده
در آزمایش‌هایی که بر روی موش‌ها انجام شد، محققان نشان دادند که این دستگاه فراصوت که آن را ImPULS (محرک اولتراسوند پیزوالکتریک قابل کاشت) می‌نامند، می‌تواند فعالیت در نورون‌های هیپوکامپ را تحریک کند. سپس، آنها الیاف را در مادۀ سیاه تولیدکنندۀ دوپامین کاشتند و نشان دادند که می‌توانند نورون‌های جسم مخطط پشتی را برای تولید دوپامین تحریک کنند.
تحریک مغز یکی از مؤثرترین و در عین حال کمتر شناخته‌شده‌ترین روش‌هایی است که برای بازگرداندن سلامت به مغز استفاده می‌شود. دستگاه ImPULS این توانایی را به ما می‌دهد تا سلول های مغز را با وضوح مکانی-زمانی عالی و به گونه‌ای تحریک کنیم که مانند روش‌های دیگر آسیب یا التهاب ایجاد نکند.
استیو رامیرز، یکی از محققان این مطالعه گفت: دیدن اثربخشی این دستگاه در مناطقی مانند هیپوکامپ، راه کاملاً جدیدی را برای ما باز کرد تا بتوانیم محرک‌های دقیق را به مدارهای هدفمند در مغز تحویل دهیم.
فناوری قابل تنظیم و مقیاس‌پذیر
تمام اجزای دستگاه ImPULS زیست‌سازگار هستند، از جمله لایه پیزوالکتریک که از یک سرامیک جدید به نام نیوبات سدیم پتاسیم یا KNN ساخته شده است. نسخۀ فعلی ایمپلنت توسط یک منبع تغذیۀ خارجی تغذیه می‌شود، امّا محققان تصور می‌کنند که نسخه‌های آینده می‌توانند از باتری کوچک قابل کاشت و واحد الکترونیکی تغذیه کنند.
محققان یک فرآیند ریزساخت را توسعه دادند که به آنها امکان می‌دهد به راحتی طول و ضخامت فیبر، همچنین فرکانس امواج صوتی تولید شده توسط مبدل پیزوالکتریک را تغییر دهند. این فرآیند می‌تواند به دستگاه ها اجازه دهد تا برای مناطق مختلف مغز سفارشی شوند.
داگدویرن بیان کرد: ما نمی‌توانیم بگوییم که این دستگاه تأثیر یکسانی بر روی هر منطقه از مغز خواهد داشت، امّا به راحتی و با اطمینان می‌توان گفت که این فناوری مقیاس‌پذیر است و نه تنها برای موش‌ها بلکه برای انسان‌ها قابل استفاده می‌باشد.
نتیجه‌گیری و اهداف پژوهشی آتی
محققان اکنون قصد دارند بررسی کنند که چگونه تحریک فراصوت ممکن است بر نواحی مختلف مغز تأثیر بگذارد و آیا این دستگاه‌ها می‌توانند در زمان کاشت برای بازه‌های زمانی طولانی‌مدت عملکردی باقی بمانند. همچنین آنها علاقه‌مند به امکان ترکیب یک کانال میکروسیال هستند که به دستگاه اجازه دهد داروها را به‌طور هدفمند به بدن برساند و سونوگرافی را هدایت کند.
به گفتۀ محققان، این نوع دستگاه فراصوت علاوه بر نویدبخش بودن به عنوان یک درمان بالقوه برای پارکینسون یا سایر بیماری‌ها، می‌تواند ابزار ارزشمندی برای کمک به محققان در راستای یادگیری بیشتر در مورد مغز باشد.
داگدویرن اعلام کرد: هدف ما ارائه این ابزار به عنوان یک ابزار تحقیقاتی برای جامعۀ علوم اعصاب است، چرا که اعتقاد داریم ابزارهای مؤثر کافی برای درک مغز نداریم. به عنوان مهندسان این دستگاه، ما در تلاش هستیم تا ابزارهای جدیدی ارائه کنیم تا بتوانیم در مورد مناطق مختلف مغز اطلاعات بیشتری به دست آوریم.
