موضوعات: مهندسی پزشکی/ موسسه ETH زوریخ/ نوروساینس/ پروتزها
تاریخ انتشار خبر: 24 فوریه 2024
چند سال پیش، تیمی از محققان که زیر نظر پروفسور استانیسا راسپوپوویچ در آزمایشگاه مهندسی عصبی ETH زوریخ کار میکردند، وقتی اعلام کردند که پای مصنوعی آنها برای اولین بار به افراد قطع عضو این امکان را میدهد تا احساساتی را از این قسمت مصنوعی بدن احساس کنند، توجه جهانی را به خود جلب کردند. برخلاف پروتزهای تجاری سابق پا، که به سادگی برای افراد قطع عضو، ثبات و پشتیبانی فراهم میکنند، دستگاه پروتز محققان ETH از طریق الکترودهای کاشتهشده به عصب سیاتیک در ران افراد مورد آزمایش متصل شد.
این اتصال الکتریکی، نوروپروتز ( neuroprosthesis ) را قادر میسازد تا با مغز بیمار ارتباط برقرار کند، به عنوان مثال اطلاعات مربوط به تغییرات ثابت فشار را که در هنگام راه رفتن روی کف پای مصنوعی تشخیص داده میشود، منتقل کند. این امر به افراد مورد آزمایش اطمینان بیشتری نسبت به پروتز خود داد – و آنها را قادر میسازد تا در زمینههای چالشبرانگیز سریعتر راه بروند. این پروتز پای آزمایشی در برانگیختن احساسات طبیعی موفق بود. این چیزی است که خیلی از پروتزهای مورد استفاده فعلی عمدتاً قادر به انجام آن نیستند و آنها بیشتر احساسات مصنوعی و ناخوشایند را برمی انگیزند.
این احتمالاً به این دلیل است که پروتزهای عصبی امروزی از پالس های الکتریکی ثابت برای تحریک سیستم عصبی استفاده می کنند. راسپوپوویچ می گوید: «این نه تنها غیر طبیعی است، بلکه ناکارآمد است. در مقالهای که اخیراً منتشر شده است، او و تیمش از نمونه پروتزهای پای خود استفاده کردند تا مزایای استفاده از تحریک طبیعی بیومیمتیک را برای توسعه نسل بعدی پروتزهای عصبی برجسته کنند.
مدل شبیه سازی فعال شدن اعصاب در کف پا
برای تولید این سیگنالهای بیومیمتیک، Natalija Katic – دانشجوی دکترا در گروه تحقیقاتی Raspopovic – یک مدل کامپیوتری به نام FootSim ایجاد کرد. این بر اساس داده های جمع آوری شده توسط همکاران در کانادا است که فعالیت گیرنده های طبیعی به نام گیرنده های مکانیکی را در کف پا در حالی که نقاط مختلف پای داوطلبان را با یک میله ارتعاشی لمس می کردند، ثبت کردند.
این مدل رفتار دینامیکی تعداد زیادی گیرنده مکانیکی در کف پا را شبیهسازی میکند و سیگنالهای عصبی را تولید میکند که اعصاب پا آنها را به سمت مغز پرتاب میکند – از لحظهای که پاشنه پا به زمین برخورد میکند و وزن بدن شروع به شروع به افزایش میکند. حرکت به جلو به سمت بیرون پا تا زمانی که انگشتان پا از زمین خارج شوند و برای مرحله بعدی آماده شوند. کاتیک میگوید: «به لطف این مدل، ما میتوانیم ببینیم که گیرندههای حسی از کف پا و اعصاب متصل در هنگام راه رفتن یا دویدن چگونه رفتار میکنند، که اندازهگیری آن از نظر تجربی غیرممکن است.
تجمع اطلاعات در نخاع
برای ارزیابی نزدیکی سیگنالهای بیومیمتیک محاسبهشده توسط این مدل با سیگنالهای ساطع شده توسط نورونهای واقعی، جاکومو واله – فوقدکتر در گروه تحقیقاتی راسپپوویچ – با همکارانش در آلمان، صربستان و روسیه روی آزمایشهایی با گربهها کار کرد که سیستم عصبی آنها حین حرکت به روشی مشابه انسان ها پردازش میشود. این آزمایش ها در سال 2019 در موسسه فیزیولوژی پاولوف در سن پترزبورگ انجام شد و مطابق با دستورالعمل های اتحادیه اروپا مربوطه انجام شد.
محققان الکترودهایی را کاشتهاند که برخی را به عصب پا و برخی را به نخاع متصل میکنند تا بفهمند چگونه سیگنالها از طریق سیستم عصبی منتقل میشوند. هنگامی که محققان به پایین پنجه گربه فشار وارد کردند، واکنش عصبی طبیعی را که هنگام برداشتن یک قدم گربه رخ می دهد، برانگیختند، الگوی فعالیت عجیب ثبت شده در نخاع در واقع شبیه زمانیبود که محققان عصب پا را با سیگنال های بیومیمتیک تحریک کردند.
در مقابل، رویکرد مرسوم تحریک مداوم عصب سیاتیک در ران گربه، الگوی متفاوتی از فعالسازی را در نخاع ایجاد کرد. واله میگوید: «این به وضوح نشان میدهد که روشهای تحریک رایج مورد استفاده باعث میشوند شبکههای عصبی در ستون فقرات پر از اطلاعات شوند. راسپوپوویچ میافزاید: «این اطلاعات بیش از حد میتواند دلیلی برای احساسات ناخوشایند یا paraesthesia گزارششده توسط برخی از کاربران پروتز عصبی باشد».
یادگیری زبان سیستم عصبی
در آزمون های بالینی خود با افراد قطع شده پا، محققان توانستند نشان دهند که تحریک بیومیمتیک برتر از تحریک ثابت زمان است. کار آنها به وضوح نشان داد که چگونه سیگنالهایی که طبیعت را تقلید میکردند، نتایج بهتری را به همراه داشتند: اهداف مورد آزمایش نه تنها میتوانستند پلهها را سریعتر بالا بروند، بلکه اشتباهات کمتری را هنگامی که مجبور بودند از همان پلهها بالا بروند در حالی که کلمات را هجی میکردند انجام دادند. راسپوپوویچ میگوید: «تحریک عصبی بیومیمتیک به اهداف مورد آزمایش اجازه میدهد هنگام راه رفتن روی کارهای دیگر هم تمرکز کنند، بنابراین ما به این نتیجه رسیدیم که این نوع تحریک به طور طبیعی پردازش میشود و تأثیر کمتری بر مغز وارد میکند».
راسپوپوویچ که آزمایشگاهش بخشی از موسسه رباتیک و سیستمهای هوشمند ETH است، معتقد است که این یافتههای جدید تنها مربوط به پروتزهای اندام نیست که او و تیمش برای بیش از نیم دهه روی آن کار کردهاند. او استدلال میکند که نیاز به دور شدن از تحریک غیرطبیعی و ثابت زمان به سمت سیگنالهای بیومیمتیک برای مجموعه کاملی از کمکها و وسایل دیگر، از جمله ایمپلنتهای ستون فقرات و الکترودها برای تحریک مغز نیز صدق میکند. راسپوپویچ می گوید: «ما باید زبان سیستم عصبی را یاد بگیریم. سپس میتوانیم با مغز به روشهایی که واقعاً درک میکند ارتباط برقرار کنیم.»
برای مشاهده کامل این مقاله می توانید از کد نویسنده زیر استفاده کنید:
شاید براتون جالب باشه: مقاله مشاهده عروق خونی بدون حتی یک برش