پیشرفت های نوین در تکنولوژی پزشکی منجر به توسعه ایمپلنت های نرم مغزی شده است که با کاهش آسیب های بافتی و بهبود کیفیت سیگنال های عصبی، راهکاری ایمن تر و بادوام تر برای درمان بیماری ها و بازیابی حواس ارائه می دهند.
ایمپلنت های نرم مغزی وعده های شگفت انگیزی برای درمان بیماری ها و بازیابی حواس از دست رفته می دن، اما مواد سختی که اغلب برای ساخت اون ها استفاده می شه، می تونه باعث آسیب طولانی مدت به بافت ظریف عصبی بشه. مطالعه جدیدی که در Advanced Science منتشر شده نشون داد که ساختن این دستگاه ها از پلاستیک نرم و انعطاف پذیر به جای سیلیکون سفت، اسکار (جای زخم) رو به شدت کاهش می ده و سلول های سالم مغز رو حفظ می کنه. این نتایج یه راهنمای کاربردی برای طراحی نسل بعدی رابط های عصبی ایمن تر و بادوام تر ارائه می ده.
چرا به ایمپلنت های نرم مغزی نیاز داریم؟
سال های زیادیه که مهندس های پزشکی برای ارتباط با سیستم عصبی به دستگاه های الکترونیکی کوچیک متکی بودن. این آرایه های میکروالکترودی می تونن سیگنال های الکتریکی رو از سلول های مغز ثبت کنن و جریان های ملایمی رو برای تحریک اون ها بفرستن. این فناوری با موفقیت به بازیابی فرمان های حرکتی برای بیماران فلج کمک کرده و در نهایت می تونه به بازیابی بینایی افراد نابینا هم کمک کنه.
بیشتر ایمپلنت های مغزی موجود در بازار از سیلیکون سفت ساخته شدن. چون مغز داخل جمجمه نبض داره و کمی جابه جا می شه، یه قطعه سفت سیلیکونی می تونه به بافت های اطراف کشیده بشه. این سایش مداوم باعث ایجاد یه واکنش ایمنی پایدار می شه که محیط اطراف رو تخریب می کنه.
وقتی مغز یه جسم خارجی رو تشخیص می ده، سلول های تخصصی به اون محل هجوم می برن. میکروگلیاها که به عنوان اولین پاسخ دهنده های مغز عمل می کنن، در ابتدا به آسیب واکنش نشون می دن. بعدا، سلول های ستاره ای شکلی به نام آستروسیت ها یه اسکار محافظ دور ایمپلنت تشکیل می دن.
این بافت اسکار یه مانع فیزیکی بین ایمپلنت و نورون های سالم ایجاد می کنه. با افزایش فاصله بین الکترودها و سلول های مغز، دستگاه دیگه درست کار نمی کنه. سیگنال ها ضعیف و نامفهوم می شن و برای تحریک بافت به جریان های الکتریکی بالاتری نیاز پیدا می شه.
در یه زمینه بالینی که بیماران گزینه های کمی دارن، شاید این معامله قابل قبول باشه. اما برای چیزی مثل پروتز بینایی که قراره کیفیت زندگی رو برای دهه ها بهبود ببخشه، تجهیزات باید قابل اعتماد بمونن. محقق ها به راهی نیاز داشتن تا بدون بیدار کردن سیستم ایمنی محلی، یه جسم خارجی رو در مغز قرار بدن.
برای حل این مشکل، تولیدکننده ها آزمایش پلاستیک های بسیار انعطاف پذیر مثل پلی آمید رو شروع کردن. چون پلی آمید نرمه، می تونه با بافت خم بشه و حرکت کنه. با اینکه محقق ها حدس می زدن ایمپلنت های نرم مغزی آسیب کمتری وارد می کنن، اما هیچ کس یه مقایسه مستقیم انجام نداده بود تا ببینه دقیقا کدوم انتخاب های طراحی بیشترین اهمیت رو دارن.
کورین اورلمن، پژوهشگری در موسسه علوم اعصاب هلند، تیمی رو برای بررسی این مشکل رهبری کرد. اورلمن و همکارانش تصمیم گرفتن دقیقا نقشه برداری کنن که مغز در طول یه دوره طولانی چطور به مواد، اندازه ها و تکنیک های جراحی مختلف واکنش نشون می ده. این تیم شامل رکسانا ان. کویجمنز، متخصص بافت شناسی، و پیتر آر. رولفسما، نوآور در زمینه پروتزهای عصبی بود.
محقق ها بیش از صد دستگاه کوچیک شونه مانند رو در لایه بیرونی مغز یا همون قشر مغز و تغییرات ضخامت آن 32 موش کاشتن. اون ها هم دستگاه های سیلیکونی سفت و هم دستگاه های پلی آمید انعطاف پذیر رو آزمایش کردن. تیم همچنین ضخامت و عرض دندانه های جداگانه روی شونه ها رو تغییر داد تا ببینه آیا اندازه فیزیکی نتیجه بیولوژیکی رو تغییر می ده یا نه.
اون ها دستگاه ها رو برای 6 تا 12 ماه در محل نگه داشتن تا اثرات طولانی مدت رو مشاهده کنن. نیمی از ایمپلنت ها به طور ایمن به جمجمه مهار شده بودن که به این روش «تترینگ» می گن. نیمه دیگه به صورت آزاد در بافت مغز رها شده بودن و فقط با یه درپوش فلزی محافظ پوشونده شده بودن.
بعد از دوره کاشت، تیم برش های بسیار نازک بافت مغز رو زیر میکروسکوپ بررسی کرد. مطالعات قبلی اغلب مغز رو طوری برش می زدن که تغییرات عمق مهم رو پنهان می کرد. با بازنگری در نحوه تحلیل بافت، محقق ها یه نقشه کمی و بسیار دقیق از آسیب های سلولی ساختن.
اون ها از نشانگرهای شیمیایی خاصی برای رنگ آمیزی سلول ها استفاده کردن که بهشون اجازه می داد تراکم نورون های بازمانده رو محاسبه کنن. اون ها همچنین مقدار بافت از دست رفته بر اثر وارد کردن جراحی رو اندازه گیری کردن. در نهایت، شدت واکنش ایمنی رو هم از میکروگلیاها و هم از آستروسیت ها ثبت کردن.
عملکرد بی نظیر ایمپلنت های نرم مغزی
نتایج نشون داد که ایمپلنت های نرم مغزی خیلی بهتر از سیلیکون های سفت عمل کردن. دستگاه های پلاستیکی نرم ضایعات فیزیکی کمتری در مغز ایجاد کردن و اجازه دادن تراکم بالاتری از نورون های سالم در نزدیکی محل کاشت زنده بمونن. ایمپلنت های پلی آمید همچنین واکنش ایمنی ضعیف تری نسبت به ایمپلنت های سیلیکونی ایجاد کردن.
برای اینکه ببینن آیا این بهبود سلامت بافت به عملکرد بهتر هم ختم می شه یا نه، تیم فعالیت الکتریکی رو از یه گروه از موش ها ثبت کرد. حیوانات یه الگوی شطرنجی معکوس رو روی صفحه نمایش می دیدن و در همون حال این ایمپلنت های نرم مغزی فعالیت مغزی ناشی از اون رو ثبت می کردن. اون ها نسبت سیگنال به نویز رو محاسبه کردن تا بفهمن قطعات الکترونیکی دقیقا چقدر خوب اطلاعات بصری رو دریافت می کنن.
درست همون طور که تحلیل بافت پیش بینی کرده بود، دستگاه های پلی آمید انعطاف پذیر سیگنال های شفاف تر و قابل اعتمادتری رو ثبت کردن. در طول یه دوره آزمایش 24 هفته ای، کیفیت هر دو ماده به آرامی کاهش پیدا کرد، اما پلی آمید توانایی های ضبط خودش رو خیلی بهتر حفظ کرد.
محقق ها همچنین واکنش ایمنی رو در تمام طول عمودی ایمپلنت ها نقشه برداری کردن. اون ها متوجه یه الگوی متمایز شدن که در اون شدیدترین واکنش ها در دو ناحیه خاص اتفاق می افتاد. اولین ناحیه درست در سطح مغز بود، جایی که دستگاه برای اولین بار از غشاهای بیرونی عبور کرده بود.
ناحیه دوم فعالیت شدید ایمنی در مرز بین ماده خاکستری و ماده سفید زیرین رخ داد. ماده خاکستری بیشتر شامل بدنه سلول های عصبی هست، در حالی که ماده سفید از کابل های رابط طولانی ساخته شده که نواحی مختلف مغز رو به هم وصل می کنن. به هم زدن این مرز باعث واکنش شدیدی شد و موجی از سلول های ایمنی دفاعی رو به بافت های اطراف فرستاد.
نازک یا باریک کردن بیش از حد ایمپلنت های نرم مغزی تاثیر زیادی روی نتیجه نداشت. عرض و ضخامت دستگاه ها در مقایسه با خودِ جنسِ ماده، تاثیر ناچیزی روی سلامت بافت داشت. یه دستگاه پلی آمید که کمی ضخیم تر بود، تقریبا همون قدر واکنش بافتی ایجاد کرد که یه دستگاه فوق نازک ایجاد کرده بود.
اورلمن توضیح داد که با اینکه پلی آمید بهتر عمل می کنه، اما یه درمان معجزه آسا نیست. این پلاستیک انعطاف پذیر هنوز هم واکنش ملایمی از طرف مغز ایجاد می کنه، اما این یه واکنش قابل کنترله. اورلمن اشاره کرد: «اگه اون ها رو خیلی نازک بسازید، کاشتنشون سخت و سخت تر می شه. اما حالا که می دونیم نازک کردن واقعا فایده ای نداره، می تونیم از اون هدف بگذریم و موفقیت جراحی مون رو بالا ببریم.»
تیم همچنین متوجه شد که ایمپلنت های شناور نسبت به اون هایی که به جمجمه وصل بودن، آسیب بیشتری وارد کردن. این موضوع غیرمنتظره بود، چون یه دستگاه شناور از نظر تئوری باید به طور طبیعی تر با مغز حرکت کنه. محقق ها خاطرنشان کردن که این نتیجه احتمالا به خاطر خودِ پروسه جراحی بوده.
قرار دادن ایمپلنت شناور مستلزم سوراخ کردن حفره بسیار بزرگ تری در جمجمه موش نسبت به قرار دادن ایمپلنت مهار شده بود. سوراخ بزرگ تر، بافت بیشتری رو در معرض خطر قرار داد و باعث ترومای اولیه بیشتری شد. این اثر جراحی اولیه، بر مزایای بالقوه رها کردن دستگاه به صورت شناور در بافت غلبه کرد.
این نتایج کمک می کنه دقیقا مشخص بشه که مهندس ها موقع طراحی دستگاه های پزشکی جدید باید روی چی تمرکز کنن. از اونجایی که ابعاد فیزیکی ایمپلنت های نرم مغزی تاثیر کمی روی واکنش مغز داشت، تولیدکننده ها نیازی ندارن که به سمت نازک ترین طراحی های ممکن برن. این یه مزیت کاربردیه، چون دستگاه های فوق نازک به شدت شکننده هستن و برای جراح ها سخته که اون ها رو بدون شکستن وارد مغز کنن.
یه ایمپلنت پلاستیکی که کمی ضخیم تر و محکم تر باشه، ساختنش راحت تره و توی اتاق عمل هم ایمن تر جابه جا می شه. اورلمن توضیح داد: «این مطالعه یه جورایی مثل یه کتابچه راهنما برای سازش های منطقیه.» با تشخیص اینکه مواد انعطاف پذیر عامل اصلی موفقیت هستن، مهندس ها می تونن با نادیده گرفتن متغیرهای طراحی که به بن بست می خورن، در زمان و منابع صرفه جویی کنن.
استفاده کامل از پلاستیک های انعطاف پذیر محدودیت هایی هم داره. سیلیکون سفت هنوز هم برای یکپارچه سازی تراشه های پردازشی پیشرفته و کامپیوترمانند، مستقیما روی ایمپلنت، خیلی مناسب تره. چون سیلیکون مدارهای الکتریکی رو خیلی خوب نگه می داره، کنار گذاشتن کامل این ماده ممکنه قابلیت های رابط های عصبی آینده رو محدود کنه.
تحقیقات آینده احتمالا روی طرح های ترکیبی تمرکز می کنه. مهندس ها می تونن قطعات الکترونیکی کوچک و سفت رو داخل یه پوسته پلاستیکی نرم و انعطاف پذیر قرار بدن. این کار قدرت پردازش سیلیکون رو با طبیعت سازگار با بافتِ پلی آمید ترکیب می کنه.
تیم همچنین پیشنهاد می کنه که جراح ها باید سعی کنن از فشار دادن ایمپلنت ها به عمقی که به مرز ماده سفید برخورد کنه، خودداری کنن. نگه داشتن دستگاه ها به طور کامل در ماده خاکستری می تونه از همون ابتدا از شروع قوی ترین واکنش های ایمنی جلوگیری کنه. با ادامه اصلاح این طرح ها توسط محقق ها، پروتزهای بینایی بادوام و ایمپلنت های نرم مغزی قابل اعتماد، به واقعیت روزمره برای بیماران نزدیک تر می شن.
این مطالعه با عنوان «دوست، نه دشمن: کاهش واکنش بافتی به ایمپلنت های پلی آمید طولانی مدت»، توسط کورین اورلمن، لورا ام. دی سانتیس، پل نیرینگ، کریستین بوهلر، کیرتی شارما، آرنو آرتس، توبیاس هولزامر، ریک جی. جی. ون دال، پاتریک روتر، ماریا اسپلوند، رکسانا ان. کویجمنز و پیتر آر. رولفسما نوشته شده است.
توسعه فناوری های عصبی نشان می دهد که انتخاب مواد مناسب به اندازه طراحی مدارهای الکترونیکی اهمیت دارد. استفاده از پلیمرهای منعطف به جای فلزات و نیمه هادی های سخت، نه تنها طول عمر دستگاه را افزایش می دهد، بلکه تعامل ایمن تری را با حساس ترین بافت بدن انسان یعنی مغز برقرار می کند. این مسیر تحقیقاتی می تواند آینده درمان بیماری های عصبی و پروتزهای حسی را به کلی دگرگون سازد.
Soft brain implants outperform rigid silicon in long-term safety study
