میکروچیپ‌های درمانگر

عماد الدین قاسمی پناه_خبرنگار

دانشمندان نورون‌هایی یا یاخته‌های عصبی مصنوعی اختراع کرده‌اند که روی میکروچیپ‌های سیلیکونی قرار می‌گیرد و دقیقاً مانند نورون‌های واقعی عمل می‌کنند. این دستاورد که نخستین نوآوری در نوع خود محسوب می‌شود می‌تواند در درمان بیماری‌هایی مانند نارسایی قلبی، آلزایمر و سایر بیماری‌های عصبی مؤثر واقع شود.
درواقع، نورون‌های مصنوعی نه‌تنها مانند نورون‌های بیولوژیکی رفتار می‌کنند، بلکه فقط به یک میلیاردم قدرت یک ریزپردازنده احتیاج دارند تا برای استفاده در ایمپلنت‌های پزشکی و سایر وسایل زیست الکترونیکی(یک زمینه تحقیقاتی مشترک بین زیست‌شناسی و الکترونیک) مناسب‌سازی شوند.
این گروه پژوهشی توسط دانشگاه بث هدایت می‌شود و پژوهشگران دانشگاه‌های بریستول، زوریخ و اوکلند هم در آن. آنها نوآوری نورون‌های مصنوعی را طی یک مطالعه که در مجله Nature Communications منتشر شده شرح داده‌اند.
طراحی نورون‌های مصنوعی که مانند نورون‌های واقعی به سیگنال‌های الکتریکی سیستم عصبی پاسخ می‌دهند، یکی از اهداف مهم حوزه پزشکی طی ده‌ها سال بوده است. نورون‌های مصنوعی می‌توانند شرایطی را بهبود ببخشند که به‌خاطر آن، نورون‌های اصلی به‌درستی کار نمی‌کنند، حیات خود را از دست داده‌اند و آسیب نخاعی یا قطع نخاع ایجاد شده است. نورون‌های مصنوعی می‌توانند مدارهای بیولوژیکی مختل را با تقلید از عملکردهای سالم و پاسخ مناسب به بازخوردهای بیولوژیکی ترمیم کنند تا عملکرد بدن بازیابی شود.
به‌عنوان مثال، در سکته قلبی، نورون‌های موجود در پایه مغز به‌درستی به بازخورد سیستم عصبی پاسخ نمی‌دهند و سیگنال‌های صحیح را به قلب نمی‌فرستند و به این ترتیب آنچنان که باید قلب عمل پمپاژ را انجام نمی‌دهد.
با این حال، توسعه نورون‌های مصنوعی به‌دلیل پیچیدگی حوزه زیست شناسی و پاسخ‌های عصبی که به‌سختی قابل پیش‌بینی هستند یک چالش بزرگ به شمار می‌آید.
پژوهشگران با موفقیت توانستند از معادلات و مدل‌ها برای توضیح نحوه پاسخ نورون‌ها به محرک‌های الکتریکی عصب‌های دیگر استفاده کردند. این مسئله بسیار پیچیده است، زیرا پاسخ‌ها غیر خطی هستند. به‌عبارت دیگر، اگر سیگنال دو برابر بیشتر شود، لزوماً دو برابر عکس العمل ایجاد نمی‌شود و ممکن است سه برابر بیشتر یا اصلا چیز دیگری باشد.
پژوهشگران سپس چیپ‌های سیلیکونی را طراحی کردند که در این چیپ‌ها کانال‌های یونی بیولوژیکی با دقت مدل‌سازی شده بود. این کار پیش از اثبات تقلید نورون‌های سیلیکونی از نورون‌های واقعی برای پاسخ به طیف‌های مختلفی از تحریکات انجام شد.
پژوهشگران با استفاده از طیف گسترده‌ای از محرک‌ها، پویایی کاملی از نورون‌های هیپوکامپ و نورون‌های تنفسی موش‌ها را عینا بازتولید کردند.
پروفسور آلن نوگارت، از دانشکده فیزیک‌دانشگاه بث که مدیر این پروژه بود، می‌گوید: تاکنون نورون‌ها مانند جعبه‌های سیاه بوده‌اند، اما ما موفق شده‌ایم که این جعبه‌های سیاه را باز کنیم. کار ما تغییر دادن الگو است، زیرا این کار روشی مطمئن‌ برای بازتولید ویژگی‌های الکتریکی نورون‌های واقعی است.
او اظهار می‌کند: این کار گسترده‌تر از این‌هاست، زیرا سلول‌های عصبی ما فقط به 140نانووات توان نیاز دارند. این میزان یک میلیاردم انرژی مورد نیاز یک ریزپردازنده است که پژوهش‌های دیگر برای ساخت نورون‌های مصنوعی از آن استفاده کرده‌اند. به این ترتیب، سلول‌های عصبی برای میکروچیپ‌های بیوالکترونیکی مناسب‌سازی می‌شوند تا بیماری‌های مزمن را درمان کنند.
نوگارت ادامه می‌دهد: به‌عنوان مثال، ما در حال توسعه ضربان‌سازهای هوشمند هستیم که فقط قلب را تحریک نمی‌کنند تا با سرعت ثابت پمپاژ کنند، بلکه از این نورون‌ها برای پاسخ به‌موقع به آنچه قلب می‌خواهد استفاده می‌کنند. این همان چیزی است که به‌طور طبیعی در قلب سالم اتفاق می‌افتد. کاربردهای دیگری که می‌توان از این میکروچیپ‌ها انتظار داشت در درمان بیماری‌هایی نظیر آلزایمر و بیماری‌های عصبی است.
او می‌گوید: رویکرد ما ترکیبی از چند پیشرفت غیرمنتظره است. ما می‌توانیم با دقت بسیار زیاد پارامترهای دقیقی را پیش‌بینی کنیم که هرگونه رفتار نورون‌ها را با اطمینان بالا کنترل می‌کند. ما مدل‌های فیزیکی سخت‌افزاری تولید کرده‌ایم و توانایی آن را برای تقلید موفقیت‌آمیز از رفتار نورون‌های واقعی نشان داده‌ایم. تطبیق‌پذیری مدل ما که امکان گنجاندن انواع گوناگون و کارکردهای مختلف طیف وسیعی از نورون‌های پیچیده پستانداران را فراهم می‌آورد، سومین موفقیت ماست که به آن دست یافته‌ایم.