بازگرداندن حس لامسه پایدار با میکروتحریک قشر مغز

تصور کنید چشمانتان را ببندید و برای اولین بار پس از سال‌ها فشار ملایم نوک انگشت را احساس کنید. برای پنج نفری که دچار آسیب نخاعی شده بودند این امکان فراهم شد چون الکترودهای ریز پالس‌های الکتریکی دقیقی را مستقیماً به بخشی از مغز که لمس را تفسیر می‌کند ارسال کردند. آنچه ده سال پیش صرفاً یک کنجکاوی آزمایشگاهی به نظر می‌رسید اکنون حس‌های تکرارشونده و بلندمدت را بدون آسیب جدی ارائه کرده است.

دهه‌ای از سیگنال‌ها، میلیون‌ها پالس، یک یافته محوری

پژوهشگرانی از دانشگاه پیتسبورگ و دانشگاه شیکاگو پنج داوطلب را دنبال کردند که آرایه‌های میکروی القاء درون‌قشری بر روی مغز آنان کاشته شده بود. مجموعاً این ایمپلنت‌ها حدود ۱۶۸ میلیون پالس تحریک را در طول ۲۷ سال استفاده ترکیبی تحویل دادند. نتایج، که در نشریه ساینس ترنسلیشنال مدیسین منتشر شد، طولانی‌ترین مطالعه انسانی تا به امروز در زمینه میکروتحریک درون‌قشری را نشان می‌دهد و شواهد مهمی ارائه می‌دهد که لمس مصنوعی می‌تواند برای سال‌ها بی‌خطر و پایدار باشد، نه فقط برای هفته‌ها یا ماه‌ها.

تیم چگونه این موضوع را آزمایش کرد؟ جریان‌های الکتریکی کوچک به قشر حسی-پیکری، ناحیه‌ای از مغز که نقشهٔ احساسات بدن را دارد، هدف‌گیری شد. وقتی پالس‌ها به نواحی درست برخورد کردند، شرکت‌کنندگان احساسات موضعی در دست‌ها و انگشتان خود گزارش دادند. این حس‌ها بازخورد حسی‌ای را بازگرداند که بسیاری از افراد آن را بدیهی می‌دانند: فشار، تماس و حس حضور یک جسم.

داده‌ها دلگرم‌کننده بودند. احساسات مصنوعی در نواحی هدف‌گذاری‌شدهٔ دست محدود ماندند. پراکندگی احساس به بخش‌های نامرتبط بدن نادر بود. پس‌حس‌های پایدار نادر بودند و به طور متوسط تقریباً یک مورد در هر ۲۳٬۰۰۰ آزمایش تحریک رخ داد و اغلب ظرف ۱۰ ثانیه پس از قطع تحریک از بین می‌رفتند. هیچ یک از شرکت‌کنندگان درد را تجربه نکردند و نیازی به درمان پزشکی نداشتند.

این چه معنی‌ای برای پروتزهای عصبی دارد

چرا این مهم است؟ چون حس لامسه برای انجام حرکات ظریف مرکزی است. بدون آن، کنترل یک اندام مصنوعی نیازمند تمرکز دیداری زیاد و تلاش ذهنی است. بازخورد حسی به کاربر اجازه می‌دهد تا نیروی گرفتن را بسنجند، لغزش را تشخیص دهند و تماس را بدون نگاه کردن به دستگاه احساس کنند. بازگرداندن حتی نشانه‌های لمسی ساده می‌تواند بار شناختی را به‌طور چشمگیری کاهش دهد و کنترل را بهبود بخشد.

تیم‌های دانشگاهی سال‌هاست که این ایده را پیش می‌برند. در سال ۲۰۱۲، تیمی به سرپرستی پژوهشگرانی در پیتسبورگ الکترودهایی را در قشر حرکتی کاشتند تا یک فرد فلج بتواند بازوی رباتیک را کنترل کند. تا سال ۲۰۱۵، همان آزمایشگاه‌ها شروع به تحریک قشر حسی برای بازگرداندن حس کردند. دانشگاه شیکاگو از سال ۲۰۲۰ کاشت‌های ترکیبی حرکتی و حسی را با شرکت‌کنندگان آغاز کرد و مسیر را به سمت پروتزهای عصبی هماهنگ‌شدهٔ حرکتی-حسی گسترش داد.

نکات کلیدی عملکرد و ایمنی

• مدت زمان: مجموعاً ۲۷ سال استفاده از ایمپلنت در بین پنج شرکت‌کننده.
• مقیاس: حدود ۱۶۸ میلیون پالس تحریک اعمال شد.
• ایمنی: هیچ رویداد نامطلوب جدی مرتبط با تحریک گزارش نشد.
• ثبات احساس: احساسات موضعی ادامه یافتند و دچار رانش سیستماتیک نشدند.
• نرخ پس‌حس پایدار: تقریباً ۱ در هر ۲۳٬۰۰۰ آزمایش؛ بیشتر موارد ظرف ۱۰ ثانیه فروکش کردند.

«این تحقیق یک نشانه مهم دربارهٔ ایمنی و کارآمدی استفاده از رابط‌های مغز-کامپیوتر برای ارائه تحریک حسی در محیط‌های بالینی و در نهایت در خانه‌های مردم را نشان می‌دهد.» این را رابرت گانت، دانشیار طب فیزیکی و توانبخشی در دانشگاه پیتسبورگ و نویسنده ارشد گفت. «برای اینکه رابط‌های مغز-کامپیوتر واقعاً بر زندگی افراد تأثیر بگذارند، باید سال‌ها به‌طور ایمن و قابل‌اطمینان کار کنند. این مطالعه نشان می‌دهد که میکروتحریک در مغز می‌تواند دقیقاً همین کار را انجام دهد.»

با این حال، فناوری بدون محدودیت نیست. دوام الکترودها چالش اصلی بود: به‌طور متوسط ۶۴ درصد از الکترودهای کاشته‌شده در میان شرکت‌کنندگان عملکردی باقی ماندند. در یک فرد، ۶۰ درصد از الکترودها پس از ۱۰ سال کار می‌کردند، اگرچه عملکرد الکترودها در اواخر مطالعه سریع‌تر کاهش یافت. این مسائل مربوط به دوام نشان می‌دهد که نیاز به مواد، بسته‌بندی و تولید مقاوم‌تر وجود دارد اگر قرار است دستگاه‌ها از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی به استفادهٔ بالینی روزمره منتقل شوند.

«این نشان می‌دهد که این فناوری نباید فقط یک راه‌حل کوتاه‌مدت باشد که در آزمایشگاه آزمایش می‌کنیم؛ صنعت می‌تواند شروع به توسعهٔ راه‌حل‌های بلندمدت قابل‌بردن به خانه برای بیماران کند.» این را چارلز گرینسپون، استادیار بخش جراحی‌های عصبی در دانشگاه شیکاگو و نویسندهٔ اصلی گفت.

بینش کارشناسانه

«بازگرداندن حسی بلندمدت دروازهٔ ورود به پروتزهای عصبی عملی است.» این دیدگاه دکتر النا مارچ، مهندس ارشد عصبی خیالی و مروج علمی است. «جلسات کوتاه در آزمایشگاه می‌توانند امکان‌پذیری را نشان دهند، اما افرادی که با فلج زندگی می‌کنند به سیستم‌هایی نیاز دارند که سال‌ها در بدن دوام بیاورند و پیش‌بینی‌پذیر باقی بمانند. موج بعدی پیشرفت از همکاری مهندسان و تولیدکنندگان خواهد آمد: بهبود پوشش‌های الکترود، کاهش پاسخ ایمنی و ساخت سازوکارهای ایمنی تا بیماران بتوانند به این دستگاه‌ها در خانه اطمینان کنند.»

پژوهشگران در حال حاضر رویکردهای میکروتحریک مشابهی را در نواحی مغزی مرتبط با بینایی و شنوایی بررسی می‌کنند. اگر موفقیت‌آمیز باشد، همین مفهوم—ورودی‌های الکتریکی دقیق که الگوهای طبیعی عصبی را تقلید می‌کنند—می‌تواند برای بازگرداندن سایر حواس نیز به کار رود. این موضوع هم فرصت‌های هیجان‌انگیز و هم مسائل فنی دشوار را مطرح می‌کند: چگونه ایمپلنت‌ها را مقیاس‌بندی کنیم، چگونه ایمنی بلندمدت را گواهی کنیم و چگونه دستگاه‌ها را مقرون‌به‌صرفه و در دسترس بسازیم.

نتیجه‌گیری

این مطالعهٔ جدید نگاه نادری درازمدت به میکروتحریک درون‌قشری در انسان فراهم می‌کند. نشان می‌دهد تحریک الکتریکی هدفمند می‌تواند حس‌های لمسی معنادار و موضعی را برای سال‌ها بدون آسیب جدی فراهم کند، در حالی که عمر الکترودها را به‌عنوان مانع فنی اصلی پیش رو برجسته می‌کند. مسیر دستیابی به پروتزهای عصبی حسی در دسترس همگانی نیازمند نه‌تنها بینش‌های علوم اعصاب، بلکه سخت‌افزار بادوام و توسعه صنعتی در مقیاس است. وعده روشن است: آینده‌ای که در آن حسی که به‌خاطر آسیب از بین رفته بود، به‌عنوان یک حس پایدار و روزمره بازگردد.