شبکه‌های حسگر جدید سیگنال‌های مغز انسان را با وضوح فوق‌العاده ثبت می‌کنند —

این شبکه‌های نازک و انعطاف‌پذیر از حسگرهای ECoG، در صورت تایید برای استفاده بالینی، اطلاعات سیگنال مغزی را مستقیماً از سطح قشر مغز با وضوح ۱۰۰ برابر بیشتر از آنچه امروز در دسترس است به جراحان ارائه می‌دهند. دسترسی به این دیدگاه بسیار دقیق در مورد اینکه کدام نواحی خاص از بافت در سطح مغز یا قشر مغز فعال هستند و چه زمانی می‌تواند راهنمایی بهتری برای برنامه‌ریزی جراحی برای برداشتن تومورهای مغزی و درمان جراحی صرع مقاوم به دارو باشد. درازمدت‌تر، این تیم در حال کار بر روی نسخه‌های بی‌سیم این شبکه‌های ECoG با وضوح بالا است که می‌تواند تا 30 روز نظارت بر مغز برای افراد مبتلا به صرع صعب‌العلاج مورد استفاده قرار گیرد. این فناوری همچنین دارای پتانسیل برای کاشت دائمی برای بهبود کیفیت زندگی افرادی است که مبتلا به فلج یا سایر بیماری‌های عصبی هستند که می‌توانند با تحریک الکتریکی مانند بیماری پارکینسون، لرزش اساسی و اختلال حرکتی عصبی به نام دیستونی درمان شوند.

این پروژه توسط استاد مهندسی برق شادی دایه در دانشکده مهندسی دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو جاکوبز هدایت می شود. تیم مهندسین، جراحان و محققان پزشکی از UC San Diego می‌آیند. بیمارستان عمومی ماساچوست؛ و دانشگاه علوم و بهداشت اورگان

الکتروکورتیکوگرافی نسل بعدی

ثبت فعالیت مغز از شبکه‌های حسگرهایی که مستقیماً روی سطح مغز قرار می‌گیرند – الکتروکورتیکوگرافی (ECoG) – در حال حاضر به عنوان ابزاری توسط جراحانی که روش‌هایی را برای برداشتن تومورهای مغزی و درمان صرع در افرادی که به داروها پاسخ نمی‌دهند استفاده می‌شود. یا درمان های دیگر کار جدید در پزشکی ترجمه علوم طیف گسترده ای از داده های بررسی شده را ارائه می دهد که نشان می دهد شبکه هایی با 1024 یا 2048 حسگر می توانند برای ضبط و پردازش مطمئن سیگنال های الکتریکی مستقیماً از سطح مغز در انسان و موش استفاده شوند. برای مقایسه، شبکه‌های ECoG که امروزه بیشتر در جراحی‌ها استفاده می‌شوند، معمولاً بین 16 تا 64 حسگر دارند، اگرچه شبکه‌های درجه تحقیقاتی با 256 حسگر را می‌توان سفارشی ساخت.

توانایی ضبط سیگنال‌های مغزی با چنین وضوح بالایی می‌تواند توانایی جراحان را برای برداشتن حداکثر تومور مغزی بهبود بخشد و در عین حال آسیب به بافت سالم مغز را به حداقل برساند. در مورد صرع، ظرفیت ضبط سیگنال مغزی با وضوح بالاتر می‌تواند توانایی جراح را برای شناسایی دقیق مناطقی از مغز که منشأ تشنج‌های صرع هستند، بهبود بخشد، به طوری که می‌توان این نواحی را بدون دست زدن به نواحی مجاور مغز که در شروع تشنج نقشی ندارند، برداشت. . به این ترتیب، این شبکه های با وضوح بالا ممکن است حفظ بافت نرمال و عملکرد مغز را افزایش دهند.

نشان دادن اینکه شبکه‌های ECoG با هزاران حسگر به خوبی کار می‌کنند، فرصت‌های جدیدی را در علوم اعصاب برای کشف درک عمیق‌تر از نحوه عملکرد مغز انسان باز می‌کند. پیشرفت‌های علوم پایه، به نوبه خود، می‌تواند منجر به درمان‌های بهبود یافته مبتنی بر درک بهتر از عملکرد مغز شود.

فاصله یک میلی متر در برابر یک سانتی متر

ضبط سیگنال های مغزی با وضوح بالاتر به توانایی تیم برای قرار دادن حسگرهای فردی به طور قابل توجهی نزدیکتر به یکدیگر بدون ایجاد تداخل مشکل ساز بین سنسورهای مجاور نسبت داده می شود. به عنوان مثال، شبکه سه سانتی‌متری در سه سانتی‌متر تیم با ۱۰۲۴ حسگر، سیگنال‌هایی را مستقیماً از بافت مغز ۱۹ نفر ثبت کرد که موافقت کردند در این پروژه در طول «وقوع» جراحی‌های مغزی برنامه‌ریزی‌شده‌شان مرتبط با هر یک از این دو شرکت کنند. سرطان یا صرع در این پیکربندی شبکه، سنسورها یک میلی متر از یکدیگر فاصله دارند. در مقابل، شبکه‌های ECoG که قبلاً برای استفاده بالینی تأیید شده‌اند، معمولاً حسگرهایی دارند که یک سانتی‌متر از هم قرار می‌گیرند. این شبکه‌های جدید 100 حسگر در واحد سطح را در مقایسه با 1 حسگر در واحد سطح برای شبکه‌های بالینی استفاده می‌کند و وضوح فضایی 100 برابر بهتری را در تفسیر سیگنال‌های مغز ارائه می‌دهد.

سنسورهای ساخته شده با نانو میله پلاتین

در حالی که استفاده از حسگرهای مبتنی بر پلاتین برای ثبت فعالیت الکتریکی از نورون‌های مغز چیز جدیدی نیست، تیم تحقیقاتی از پلاتین به روشی جدید استفاده می‌کنند: میله‌های پلاتین در مقیاس نانو. شکل نانومیله سطح حسگر بیشتری نسبت به سنسورهای پلاتین مسطح ارائه می دهد که به حساس تر شدن سنسورها کمک می کند. سیستم سنجش مبتنی بر این واقعیت است که تعداد الکترون‌های نانومیله‌های پلاتین در پاسخ به نورون‌هایی که در مغز شلیک می‌کنند تغییر می‌کند.

یون های باردار هنگام شلیک نورون به داخل و خارج حرکت می کنند. این حرکت یون های باردار باعث تغییر در پتانسیل ولتاژ در مایع مغزی نخاعی می شود که نورون ها در آن غوطه ور می شوند. این تغییرات در پتانسیل ولتاژ در بافت مغز و مایع مغزی نخاعی با فرآیندهای غربالگری بار، تعداد الکترون های نانومیله های پلاتین را تغییر می دهد. . به این ترتیب، شلیک نورون ها در سطح یا نزدیک به سطح قشر مغز توسط نانومیله های پلاتین در زمان واقعی و با دقت بالا ثبت می شود.

شبکه های نازک و قابل انعطاف سنسور در اندازه های مختلف

مغز انسان همیشه در حال حرکت است. به عنوان مثال، با هر ضربان قلب، مغز با جریان خون تپنده در آن حرکت می کند. شبکه‌های حسگر مبتنی بر نانو میله پلاتین نازک‌تر و انعطاف‌پذیرتر از شبکه‌های امروزی ECoG مورد تایید بالینی هستند. نازکی و انعطاف‌پذیری به شبکه‌های حسگر اجازه می‌دهد تا با مغز حرکت کنند و ارتباط نزدیک‌تر و خواندن بهتر را ممکن می‌سازد. علاوه بر این، شبکه‌ها با سوراخ‌های حلقه‌ای شکل کوچکی ساخته می‌شوند که به مایع نخاعی مغزی اجازه عبور می‌دهد. به این ترتیب، این سوراخ‌های پرفیوژن از رابط بهتری بین شبکه حسگر و سطح مغز پشتیبانی می‌کنند و به حسگر اجازه می‌دهند به راحتی و ایمن مایع را جابجا کنند.

شبکه‌های حسگر مغزی نانومیله پلاتین جدید ده میکرومتر ضخامت دارند، تقریباً یک دهم اندازه موی انسان و 100 برابر نازک‌تر از ضخامت یک میلی‌متری شبکه‌های ECoG مورد تایید بالینی. نانو میله ها در یک ماده زیست سازگار شفاف، نرم و انعطاف پذیر به نام پاریلن تعبیه شده اند که در تماس مستقیم با سطح مغز است. سیگنال‌های الکتریکی از مغز، از طریق مایع مغزی نخاعی حرکت می‌کنند و به سطوح در معرض نانو میله‌های پلاتین که در داخل پاریلن فرو رفته‌اند، می‌رسند. این طراحی یک شبکه حسگر ایجاد می کند که ارتباط نزدیک و پایداری با سطح مغز ایجاد می کند و کیفیت سیگنال را بهبود می بخشد.

فرآیند تولید مورد استفاده همچنین امکان اندازه‌ها و شکل‌های متنوعی را فراهم می‌کند، که امکانات جدیدی را برای پوشش بیشتر و سفارشی‌تر قشر مغز باز می‌کند. جمع‌آوری سیگنال‌ها از مناطق بزرگ‌تر مغز به طور همزمان می‌تواند اسرار بیشتری از مغز را باز کند.

از طریق همکاری نزدیک بین مهندسان به سرپرستی پروفسور مهندسی برق دایه در UC San Diego و پزشکان به رهبری جراح مغز و اعصاب احمد رسلان در دانشگاه بهداشت و علوم اورگان، این تیم پیشرفت‌هایی در طراحی به‌طور خاص برای استفاده بالینی انجام داده‌اند. به عنوان مثال، شبکه‌های حسگر سفارشی‌شده را می‌توان با سوراخ‌های تخصصی چاپ کرد که به جراحان اجازه می‌دهد تا پروب‌ها را دقیقاً در نقطه مناسب قرار دهند و تحریک الکتریکی را مستقیماً به بافت مغز در مکان‌های خاص اعمال کنند. با هدف تایید شبکه‌های ECoG با وضوح بالاتر برای استفاده بالینی، دایه، رسلان و نویسنده اول یانگبین تچو، استارت‌آپی به نام Precision Neurotek Inc را تأسیس کردند.

منقشه برداری عملکردی دقیق سنگ معدن

یکی از چالش‌های حذف تومورهای مغزی این است که وجود تومور باعث ایجاد تغییراتی در مغز می‌شود، از جمله تغییر قسمت‌هایی از مغز که در چه عملکردهایی نقش دارند. این تغییرات برای تیم جراحی ایجاد یک نقشه شخصی سازی شده از مغز بیمار – “نقشه های عملکردی” – به منظور تصمیم گیری در مورد اینکه کجا باید برش داده شود و کجا نباید برش داده شود و در عین حال تا حد امکان از تومور خارج شود، بسیار مهم است.

نویسندگان از پزشکی ترجمه علوم مقاله نشان داد که این نقشه‌های کاربردی را می‌توان با استفاده از سنسورهای ECoG نانومیله پلاتین آنها بسیار دقیق ساخت. به طور خاص، این تیم نقشه‌های عملکردی را در چهار نفر مختلف از یک مرز در مغز به نام شیار مرکزی توسعه دادند. شیار مرکزی قشر جسمی حرکتی مغز را از قشر حسی جسمی تقسیم می کند. در این چهار نفر، محققان شبکه‌های نانومیله پلاتین را روی سطوح مغز افراد قرار دادند و از آنها خواستند تا تعدادی از فعالیت‌ها از جمله گرفتن دست را انجام دهند. با این اطلاعات، محققان مکان واقعی این نقطه عطف کلیدی در مغز و همچنین همبستگی های عصبی در مغز را که مربوط به حس انگشت و گرفتن دست است، بازسازی کردند. نتایج حاصل از شبکه‌های نانومیله پلاتین با نتایج شبکه‌های ECoG با وضوح پایین‌تر که قبلاً برای استفاده بالینی تأیید شده‌اند، همراستا هستند، اما با دقت بیشتر در مورد اینکه دقیقاً کجا این مرز عملکردی حیاتی بین قشر جسمی حرکتی و قشر حسی تنی قرار دارد. مرز عملکردی منحنی خطی که به تازگی مشخص شده است، منحصر به فرد برای مغز هر بیمار، برتر از مرز خطی و غالباً برون یابی شده است که از شبکه های بالینی با فاصله یک سانتی متری امروزی تعیین می شود.

بینش علوم اعصاب

برخی از داده‌های تازه منتشر شده این تیم از مطالعات روی موش‌ها نیز کاربرد شبکه‌ها را برای باز کردن راه‌های جدید در تحقیقات بنیادی علوم اعصاب نشان می‌دهد. در پزشکی ترجمه علوم به عنوان مثال، این مقاله شامل چیزی است که محققان معتقدند اولین نقشه برداری از یک ستون قشری در یک موش صحرایی از ضبط سطح مغز است. در گذشته نقشه برداری از ستون های قشری تنها با قرار دادن یک سوزن مجزا در سطح مغز و تحریک الکتریکی متوالی و حرکت سوزن در سراسر سطح مغز انجام می شد. به طور کلی، این واقعیت که شبکه‌های نانومیله پلاتین داده‌های با وضوح بالا را هم در زمان و هم در مکان ارائه می‌کنند، فرصت‌های جدیدی را برای کشف دانش جدید در مورد نحوه عملکرد مغز باز می‌کند.

مشاهدات دیگری که توسط شبکه‌های جدید فعال می‌شود، کشف امواج مغزی کوتاه، موضعی و همچنین برد بلند و وسیع مرتبط با عملکرد مغز به طور همزمان است. این تصویر (پویا) بسیار مکانی و زمانی از فعالیت مغز در چندین فیلم تکمیلی مرتبط با پزشکی ترجمه علوم کاغذ و برای تفسیر حرکت دست به روش های جدید با استفاده از الگوهای امواج مغزی استفاده شد.

مراحل بعدی

این تیم در حال کار بر روی طیف وسیعی از ابتکارات موازی برای پیشرفت این شبکه‌ها است تا برای استفاده کوتاه‌مدت، میان‌مدت و طولانی‌مدت واجد شرایط بررسی برای تأیید باشند. به عنوان مثال، تیمی به سرپرستی استاد مهندسی برق UC San Diego، شادی دایه، 12.25 میلیون دلار کمک مالی NIH دریافت کرد که بر توسعه سیستم سنجش متمرکز بود تا جایی که گام بعدی یک آزمایش بالینی برای افراد مبتلا به صرع مقاوم به درمان خواهد بود. این کمک مالی همچنین تلاش‌هایی را برای بی‌سیم کردن سیستم، که برای استفاده میان‌مدت و بلندمدت مهم است، تأمین می‌کند.