کنترل سگ رباتیک با استفاده از اندامک‌های مغزی انسانی و گرافن

دانشمندان آمریکایی با استفاده از گرافن و نور توانستند یک سگ رباتیک را کنترل کنند و روشی نوین برای تحریک و بلوغ اندامک‌های مغزی انسانی کشت‌شده در آزمایشگاه ابداع نمایند.

به گزارش تک‌ناک، محققان از مؤسسه سلول‌های بنیادی دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، با بهره‌گیری از یک ورق یک‌اتمی کربن (گرافن)، روشی نوین به نام «تحریک نوری به‌وسیله گرافن» (GraMOS) را معرفی کردند. این روش جدید، که از گرافن برای تبدیل نور به سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌کند، امکان تحریک سلول‌های مغزی را بدون نیاز به تغییرات ژنتیکی یا جریان‌های الکتریکی مستقیم فراهم می‌آورد. به گفته آلایسون موتری، استاد اطفال و مدیر مرکز تحقیقاتی سلول‌های بنیادی فضایی یکپارچه، این تکنیک غیرتهاجمی است، که آن را برای استفاده در تحقیقات مغزی، ایمن‌تر و مقیاس‌پذیرتر می‌سازد.

این روش جدید به دانشمندان این امکان را می‌دهد که بلوغ اندامک‌های مغزی را تسریع کنند بدون آنکه نیاز به دستکاری کد ژنتیکی آنها باشد. به گفته موتری، این نوآوری می‌تواند درهای جدیدی را برای تحقیقات بیماری‌های مغزی، توسعه رابط‌های مغز و ماشین و سیستم‌های ترکیبی از سلول‌های مغزی زنده با فناوری‌های نوین باز کند. در واقع این روش، علاوه بر تسریع فرایند بلوغ اندامک‌های مغزی، به محققان این امکان را می‌دهد که مغز را بدون نیاز به روش‌های تهاجمی مطالعه کنند.

اندامک‌های مغزی، مدل‌های سه‌بعدی مغز انسان هستند که از سلول‌های بنیادی تولید می‌شوند و می‌توانند به‌عنوان ابزاری قدرتمند برای مطالعه بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر و پارکینسون استفاده شوند. این اندامک‌ها به دلیل ساختار سه‌بعدی و شباهت‌ به مغز واقعی، می‌توانند درک عمیقی از فرایندهای عصبی و تأثیرات بیماری‌ها بر مغز فراهم کنند. با وجود این، کندی بلوغ این اندامک‌ها یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در تحقیقات عصبی است.

روش‌های موجود برای تحریک سلول‌های مغزی اغلب به اپتوژنیک‌ها وابسته‌ هستند، که برای فعال‌سازی نورون‌ها به اصلاحات ژنتیکی نیاز دارند، یا از جریان‌های الکتریکی مستقیم استفاده می‌کنند که می‌تواند به بافت‌های عصبی آسیب برساند. در این زمینه، روش جدید معرفی‌شده با استفاده از خواص منحصربه‌فرد گرافن، توانسته است این مشکلات را برطرف کند. گرافن می‌تواند نور را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کند و از این طریق، نورون‌ها را به‌طور ایمن و بدون آسیب رساندن به آنها تحریک کند تا سریع‌تر اتصالات عصبی شکل بگیرند و فرایند بلوغ تسریع شود.

النا مولوکانووا، مدیرعامل و مخترع GraMOS در شرکت NeurANO Bioscience و یکی از نویسندگان اصلی این تحقیق، توضیح داد که این روش مانند یک هل ملایم برای نورون‌ها عمل می‌کند و به آنها کمک می‌نماید تا سریع‌تر رشد کنند و اتصالات عصبی برقرار نمایند. به گفته مولوکانووا، این موضوع برای مطالعه بیماری‌های مرتبط با سن در شرایط آزمایشگاهی حیاتی است. این تکنیک علاوه بر تسریع رشد نورون‌ها، می‌تواند در زمینه‌هایی مانند: آزمایش داروها و تشخیص زودهنگام بیماری‌های عصبی نیز به‌کار رود.

وی تصریح کرد: «این فناوری به محققان این امکان را می‌دهد که فرایندهای رشد نورون‌ها را سریع‌تر مشاهده کنند و از آن برای آزمایش‌های پزشکی و دارویی استفاده نمایند. به همین دلیل، ما می‌توانیم داروها را سریع‌تر آزمایش کنیم و نتایج قابل‌اعتمادتری به‌دست آوریم.»

محققان برای این تحقیق، اندامک‌های مغزی انسانی را به سگ رباتیک مجهز به حسگر متصل کردند. زمانی که سگ رباتیک مانعی را شناسایی کرد، سیگنالی به اندامک مغزی ارسال شد، که پاسخ عصبی در اندامک و تغییر جهت سگ رباتیک در کمتر از 50 میلی‌ثانیه را به دنبال داشت. این فرایند نشان‌دهنده یک سیستم نوروبیوهیبرید است، که در آن سلول‌های مغزی زنده و ماشین‌ها می‌توانند به‌ طور هم‌زمان و هماهنگ عمل کنند.

این نمونه از یک سیستم بیولوژیکی-مکانیکی نشان می‌دهد که در آینده می‌توان از سلول‌های مغزی زنده برای ارتباط با ماشین‌ها استفاده کرد. محققان بر این باور هستند که این فناوری می‌تواند در زمینه‌های مختلفی مانند: توسعه پروتزهای عصبی، رباتیک تطبیقی و حتی محاسبات زیستی، کاربردهای گسترده‌ای داشته باشد. برخلاف چیپ‌های مصنوعی، اندامک‌های مغزی قابلیت تغییرپذیری عصبی واقعی را دارند، که به آنها امکان می‌دهد که از تجربیات گذشته بیاموزند و خود را با شرایط مختلف تطبیق دهند.

موتری تأکید کرد که این تنها آغاز راه است. به‌ گفته او، ترکیب انعطاف‌پذیری گرافن و علم اندامک‌های مغزی می‌تواند مرزهای جدیدی در زمینه‌های مختلف علمی ایجاد کند. این پیشرفت نه‌تنها می‌تواند درک ما از مغز را عمیق‌تر کند، بلکه می‌تواند پایه‌گذار تکنولوژی‌های جدیدی در حوزه‌های مختلف علمی و پزشکی باشد. او اضافه کرد: «این ترکیب گرافن و اندامک‌های مغزی می‌تواند چشم‌اندازهای جدیدی برای فناوری‌های مغزی، رباتیک، درمان بیماری‌ها و حتی ایجاد پارادایم‌های جدید فناوری ایجاد کند.»

این تحقیق در مجله Nature Communications منتشر شده است و می‌تواند به‌ عنوان یک سنگ‌بنای جدید برای تحقیقات بیشتر در زمینه مغز، فناوری‌های زیستی و رباتیک استفاده شود.