"انقلاب عصبی" : ساخت ایمپلنت‌های مغزی، از ایده تا واقعیت

حدود دو سال پیش، دنیس دِگری، این پیام عجیب را به دوست خود ارسال کرد: "شما اولین پیام متنی را که توسط نورون‌های مغز تولید شده و به یک دستگاه موبایل ارسال شده‌است را، در دست دارید."

دِگری 66 ساله که حدود یک دهه‌ی پیش، به علت سقوط از ارتفاع قطع نخاع شده بود در سال 2016 به وسیله‌ی دو ایمپلنت سیلیکونی کاشت‌شده در قشرحرکتی‌اش (بخشی از مغز که حرکات بدن را کنترل می‌کند) توانست تنها از طریق تصور حرکت دادن یک جوی استیک، نشانگر ماوس را روی نمایشگر حرکت داده و روی حروف کلیک کند و متن پیام خود را بنویسد و یا حتی بتواند از آمازون خرید کند.

ایمپلنت‌های کاشته شده در مغز دِگری، معروف به آرایه‌های یوتا (Utah Arrays) حاصل تحقیقات چند موسسه در ایالات متحده آمریکا تحت عنوان Brain Gate هستند. اهداف توسعه و آزمایش این فناوری عصبی جدید، کمک به برقراری ارتباط، تحرک و استقلال افرادی است که به علت فلج شدن، از دست دادن اندام بدنی یا بیماری عصبی، ارتباط مغز با بدن خود را از دست داده‌اند.

به سختی 12 نفر در سرتاسر دنیا، از ایمپلنت‌های یوتا استفاده می‌کنند. لیگ هوچبرگ، متخصص مغز و اعصاب در بیمارستان عمومی ماساچوست و همکار برنامه Brain Gate می‌گوید: "پیشرفت بزرگی حاصل شده‌است اما سیستم قابل اطمینان و سریعی که بیماران بتوانند در تمام طول شبانه‌روز از آن برای کنترل کامپیوتر با مغز خود استفاده کنند وجود ندارد."

در حالی که آرایه‌های یوتا، اثبات کرده‌اند که استفاده از ایمپلنت‌های مغزی امکان پذیر است، اما به علت نیاز به عمل جراحی در کاشت الکترودها، واکنش‌های مغز نسبت به الکترودهای کاشته شده و احتمال عفونت در بخش جراحی شده، به تدریج کیفیت سیگنال‌های دریافتی از این الکترود‌ها کاهش می‌یابد. در سال‌های اخیر شرکت‌های مختلفی در تلاش هستند تا نسل جدیدی از سخت‌افزارهای تجاری را توسعه دهند که نه تنها امکان کمک به افراد معلول را فراهم کند، بلکه برای سایر افراد نیز مورد استفاده قرار گیرد، به طوری که برخی شرکت‌ها از جمله فیسبوک، درصدد ساخت سیستم‌های ایمپلنت غیر تهاجمی و بی‌سیم هستند.

ایلان ماسک در سال 2017 با تاسیس شرکت نورالینک (Neuralink)اعلام کرد که می‌خواهد خلأ بین مغز انسان و کامپیوتر را با ساخت سخت افزارهای رابط مغز و کامپیوتر پر کند ولی جزئیات آن را از اطلاع عموم دور نگه داشته بود. در ماه جولای امسال ایلان ماسک از جزئیات فعالیت‌های تیم خود در نورالینک پرده برداشت. او با انتشار مقاله‌ای اولین گام‌های نورالینک برای طراحی سخت‌افزاری با مقیاس پذیری، پهنای باند و سرعت بالا، برای کاربردهای بالینی را توصیف کرد.

محققان نورالینک توانستند آرایه‌هایی از الکترودهای کوچک و انعطاف پذیری به نام رشته (Threads) بسازند. در هر رشته، ۳۲ الکترود توزیع شده‌است. محققان همچنین یک ربات جراحی مغز ساخته‌اند که قادر است در هر دقیقه 6 رشته ( 192 الکترود) در مغز قرار دهد. برای مورد هدف قرار دادن بخش‌های خاصی از مغز جهت کاشت الکترود و جلوگیری از انعقاد خون در سطح مغز، هر رشته‌ از الکترودها با دقت چند میکرون در مغز کاشته می‌شوند.

آرایه‌ی الکترودها در یک دستگاه کوچک قابل کشت در مغز همراه با تراشه‌‌های کم مصرفی برای تقویت سیگنال‌های دریافتی از این الکترودها بسته‌بندی می‌شوند. این پکیج برای 3072 کانال، حجمی کمتر از 23 × 18.5× 2 میلی‌متر مربع را اشغال می‌کند. همچنین جریان داده‌های دریافتی از الکترودهای کاشته شده، پس از دریافت و تقویت توسط دستگاه با یک کابل از نوع USB-C که پهنای باند کاملی دارد، برای انتقال آماده می‌شود. دستگاه ارائه شده توسط شرکت نورالینک توانسته است که به بازده 85.5 درصدی برسدکه نسبت به رقبای خود بی‌سابقه است. با این حال محققان نورالینک در حال حاضر این دستگاه را روی حیوانات آزمایش کرده‌اند و درصدد توسعه این سیستم برای انسان جهت استفاده از آن برای کاربردهای بالینی نظیر کمک به افراد با مشکل نخاعی برای حرکت دادن ماوس یا کنترل صفحه کلید هستند.

استارتاپ‌های کوچک‌تری نیز به عنوان رقیب نورالینک فعالیت می‌کنند. پارادرومیکس(Paradromics) یکی از این شرکت‌ها است که مانند نورالینک در حال توسعه‌ی رشته‌های الکترودی با تعداد بیشتر و اندازه‌ی کوچک‌تر است. پژوهشگران این شرکت تصور می‌کنند که در آینده‌ای نزدیک ،از طریق رابط‌های مغز و کامپیوتر با سرعت بالا، داده‌‌ها به صورت یکپارچه بین مغز و کامپیوتر رد و بدل می‌شوند. بدین صورت مشکلاتی مثل نابینایی، معلولیت و بیماری های روانی که امروزه غیر قابل درمان محسوب می‌شوند، در آینده به عنوان مشکلات مرتبط با داده در نظر گرفته شده و با روش‌های فناوری جدید قابل حل خواهند بود.

شرکت پارادرومیکس که تحت حمایت دارپا ( آژانس پروژه‌های پژوهشی دفاعی آمریکا) قرار دارد، در مسیر توسعه‌ی ایمپلنت‌های مغزی، چهار هدف عمده را دنبال می‌کند:

1- رابط عصبی با تراکم بالا: افزایش تعداد الکترودهای مورد استفاده در واحد سطح به بالاترین تراکم ممکن در جهان(10000 کانال بر سانتی متر مربع)

2- حداقل مقدار تهاجمی بودن در طراحی: به معنای کاهش قطر میکروسیم‌های الکترودها به کمتر از 20 میکرومتر

3- پردازش اطلاعات روی چیپ: تشخیص و استخراج ویژگی از روی داده‌های مغز برای افزایش بلادرنگ بودن سیستم

4- مواد مورد استفاده برای پکیج : استفاده از پکیج فلزی و سرامیکی برای حداکثر دوام سیستم

مت انجل، مدیر عامل این شرکت اظهار داشته است که تا سال 2020، نمونه‌هایی از سیستم ارائه شده برای استفاده در کارهای بالینی آغاز شود.

سنکرون(Synchrone) کمپانی دیگری است که در حوزه رابط‌های مغز و کامپیوتر فعالیت می‌کند. این شرکت که در استرالیا و سیلیکون‌ولی واقع است، تاکنون 21 میلیون دلار از طرف دارپا دریافت کرده‌است و رویکرد متفاوتی را دنبال می‌کند. محققان این شرکت با ساخت دستگاهی به نام Stendrodeکه از جراحی باز مغز و زخم شدن آن جلوگیری می‌کند، از طریق سیاهرگ پشت گردن و با استفاده از stend (در اصطلاح ‌پزشکی به معنی لوله توری مصنوعی از جنس فلز) الکترودها را برای ثبت سیگنال‌های مغزی، به قشر حرکتی مغز هدایت می‌کند. هر stendrode قادر است سیگنال‌های الکتریکی تولید شده توسط 10000 نورون منفرد را دریافت کند. سیگنال‌های دریافتی از این دستگاه می‌تواند در کنترل یک کامپیوتر برای تایپ یا کنترل اسکلت‌ها و پروتزهای حرکتی پوشیدنی برای افراد فلج مورد استفاده قرار گیرد.

با این حال هنوز چالش‌های مختلفی برای الکترودهای ساخته شده توسط نورالینک و پارادرومیکس وجود دارد. اینکه جای زخم‌های ایجاد شده در زمان کاشت الکترودها با کاهش قطر آنها کاهش خواهد یافت یا نه هنوز به صورت عملی مشاهده نشده است. همچنین مساله خورده شدن و حل شدن الکترودها در بدن وجود دارد، مشکلی که با کوچکتر شدن قطر الکترودها بدتر خواهد شد.

منابع:

• https://www.theguardian.com/science/2019/sep/22/brain-computer-interface-implants-neuralink-braingate-elon-musk
• https://neuralink.com/
• https://paradromics.com/
• https:// synchronmed.com