الکترودهای لایه نازک در فعالیت مغز انسان

الکترودهای لایه نازک توسعه یافته توسط LLNL بینش کلیدی را در مورد فعالیت مغز انسان نشان می دهد

در مطالعه‌ای در دانشگاه کالیفرنیا، سانفرانسیسکو، متخصصان مغز و اعصاب آرایه‌های چند الکترودی لایه نازکی را که در لارنس لیورمور ساخته شده بود، روی هیپوکامپ در معرض بیمارانی که تحت عمل‌های جراحی مرتبط با صرع قرار داشتند، قرار دادند. این دستگاه‌ها محققان را قادر می‌سازد تا امواج سیار فعالیت عصبی را که در سطح هیپوکامپ حرکت می‌کنند، شناسایی کنند و ویژگی‌های جدیدی را در مورد آن ها شناسایی کنند، از جمله اینکه چگونه ممکن است به شناخت انسان کمک کنند.

الکترودهای لایه نازک ساخته شده در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در بیماران انسانی در دانشگاه کالیفرنیا در سانفرانسیسکو مورد استفاده قرار گرفته‌اند و ضبط‌هایی از فعالیت مغز در هیپوکامپ، منطقه‌ای که مسئول حافظه و سایر عملکردهای شناختی است، ایجاد می‌کنند.

در مطالعه‌ای که در ژورنال Nature Communications منتشر شد، جراحان UCSF آرایه‌های انعطاف‌پذیر را روی مغز گروهی از بیماران در حالی که قبلا تحت عمل جراحی مرتبط با صرع بودند قرار دادند. آن ها سیگنال های الکتریکی را در سراسر هیپوکامپ در معرض دید ثبت کردند، در حالی که برخی از بیماران تحت بیهوشی و برخی دیگر بیدار بودند، و به بیماران هوشیار علائم بصری داده شد و در حالی که فعالیت عصبی آن ها ثبت شد، کلماتی را بیان کردند. این رویکرد به محققان این امکان را می‌دهد تا امواج سیار (TWs) را که در سطح هیپوکامپ حرکت می‌کنند شناسایی کنند و ویژگی‌های جدیدی را در مورد آن ها شناسایی کنند، از جمله اینکه چگونه ممکن است به شناخت انسان کمک کنند.

Razi Haque، رهبر گروه میکروسیستم‌های کاشتنی LLNL، گفت: ما یک فناوری توانمند برای نشان دادن پدیده‌ای توسعه داده‌ایم که قبلاً واقعاً امکان‌پذیر نبود. این چالش مستلزم ایجاد الکترودهای جدید، منطبق و با چگالی بالاتر بود که به آن‌ها اجازه می‌دهد انعطاف‌پذیرتر باشند و اطراف مناطق خاص و عمیق مغز بپیچند. این مطالعه تأیید می کند که رویکردهایی که ما استفاده می کنیم داده های سازگار، قابل استفاده و مفیدی را برای ما به ارمغان می آورند. این محرکی برای ما به‌عنوان مهندس است، تا بتوانیم ابزارهایی را بسازیم که دانشمندان می‌توانند از آن برای انجام علم جدید استفاده کنند.»

LLNL آرایه های چند الکترودی 32 کانالی را تحت برنامه زیرشبکه پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARPA) توسعه داد که هدف آن بهبود درمان بیماری های عصب روانپزشکی در اعضای خدمات نظامی است.

ادوارد چانگ، جراح مغز و اعصاب و دانشمند UCSF، محقق اصلی برنامه SUBNETS، حدس زد که این آرایه ها می توانند برای مطالعه جداگانه ای که نقش هیپوکامپ در عملکرد حافظه را بررسی می کند، کار کنند. با ثبت فعالیت عصبی روی سطح هیپوکامپ در معرض دید در حالی که بیماران تحت عمل جراحی قرار می گرفتند، محققان به طور بالقوه می توانند وجود امواج سیار را تأیید کنند، که دانشمندان مدت ها تئوری می کردند که نقش مهمی در مسیریابی اطلاعات مورد استفاده برای تشکیل خاطرات و انجام سایر پردازش های شناختی ایفا می کند.

پیش از این، ماهیت امواج سیار در هیپوکامپ انسان بحث‌برانگیز بوده است، زیرا مطالعات قبلی در داخل بدن بر روی ثبت الکترود عمق نفوذی تکیه کرده‌اند. به گفته نویسنده اصلی مقاله و متخصص مغز و اعصاب UCSF، جاناتان کلین، این الکترودها تنها چند محل ضبط تک فایلی را در لایه‌های مختلف هیپوکامپ در اختیار محققان قرار داده‌اند که درک دقیق نحوه حرکت امواج در سراسر ساختار را تقریبا غیرممکن می‌کند.

با این حال، به دلیل چیدمان شبکه‌ای با چگالی بالا، اندازه کوچک (کوچکتر از یک سکه) و توانایی آن‌ها برای انطباق با سطح هیپوکامپ، دستگاه‌های توسعه‌یافته LLNL یک «birds-eye-view» حیاتی از نحوه حرکت سیگنال‌ها در اختیار محققان قرار دادند، و مانند امواج در آب روی سطح معکوس شد.

کلین گفت: «این دیدگاه جدید به ما کمک کرد کشف کنیم که امواج سیار هم به سمت بالا و هم پایین هیپوکامپ حرکت می کنند. این « two-way street» با «one-way stree» که تحقیقات قبلی علوم اعصاب نشان داده بود، در تضاد است. این یک معامله بزرگ است زیرا ما معتقدیم که این ممکن است یک مکانیسم اساسی از نحوه عملکرد هیپوکامپ به عنوان مرکز اصلی پردازش اطلاعات و حافظه برای بسیاری از مناطق دیگر مغز باشد. به عبارت دیگر، جهت حرکت موج در سراسر هیپوکامپ ممکن است نشانگر زیستی باشد که فرآیندهای عصبی متمایز را منعکس می کند، زیرا مدارهای مختلف درگیر و جدا می شوند.

این تیم از روش یادگیری ماشینی استفاده کرد تا نشان دهد که نواحی خاصی از سطح هیپوکامپ بسته به جهتی که امواج در حال حرکت هستند، با شدت بیشتری فعال می شوند.

کلین گفت: «این شواهد دیگری بود مبنی بر اینکه مسیری که یک موج طی می کند ممکن است به این موضوع اشاره کند که هیپوکامپ در آن لحظه چه کار می کند.

محققان خاطرنشان کردند که وقتی یک بیمار هوشیار سعی می‌کرد به نام یک عکس فکر کند، امواج در حال حرکت با یک فرکانس به‌طور پیوسته به سمت جلوی ساختار جاری می‌شد. هنگامی که بیمار در انتظار آزمایش بعدی بود، امواج جهت معکوس کردند و به سمت پشت سازه جاری شدند. کلین گفت، بنابراین جهت حرکت موج ممکن است منعکس کننده فرآیندهای شناختی متمایز زمانی باشد که رخ می دهند، و به طور بالقوه جایی که اطلاعات برای پشتیبانی از آن فرآیندها در جریان است.

این دستگاه‌ها در LLNL ساخته شده‌اند و از دانش به‌دست‌آمده در طول بیش از یک دهه تحقیق روی آرایه‌های میکرو الکترود لایه نازک استفاده می‌کنند که با پروژه شبکیه مصنوعی آغاز شد. به گفته مهندس جنی ژو که این دستگاه ها را ساخته است، مهندسان LLNL مراحل پردازش دستگاه را از طریق چندین آزمایش ساخت و تکرارهای طراحی، و همچنین سال ها آزمایش bench-top برای ارزیابی پایداری و عملکرد، بهبود بخشیده اند.

ژو در مورد مطالعه اخیر گفت: «مطمئناً دانستن اینکه دستگاه‌های ما بر روی بیماران با موفقیت آزمایش شده‌اند و محققان را قادر می‌سازد تا به اطلاعات جدید برای درک بیشتر در مورد فعالیت عصبی دست یابند، لذت بخش است.

از زمانی که مطالعه UCSF نتیجه‌گیری شد، مهندسان LLNL تعداد الکترودهای دستگاه‌های لایه نازک انعطاف‌پذیر را به 64 کانال دوبرابر کرده‌اند و حس و تحریک با وضوح بالاتر را ممکن می‌سازند و آرایه‌ها را در یک کاوشگر نافذ (یا عمق) تشکیل می‌دهند. مهندسان می خواهند تعداد و چگالی کانال را به صدها یا حتی هزاران الکترود در هر دستگاه افزایش دهند.

شانکار ساندارام، مدیر مرکز مهندسی زیستی LLNL گفت: «ترکیب داده‌های دقیق از این دستگاه‌ها با تجزیه و تحلیل داده‌های نسل بعدی نه تنها به درک ما از عملکرد درونی مغز کمک می‌کند، بلکه منجر به درمان‌های متحول کننده برای اختلالات عصبی می‌شود».

گروه میکروسیستم‌های کاشتنی LLNL در درجه اول بر ساخت دستگاه‌های بادوام برای کمک به تشخیص و ارائه درمان بالقوه برای سیستم عصبی متمرکز است. این گروه تحقیقاتی با بهره‌گیری از سال‌ها تجربه و قابلیت‌ها و زیرساخت‌های میکروساخت اختصاصی، در حال کار در جهت کسب اعتبار از سازمان غذا و داروی ایالات متحده برای ساخت دستگاه‌های درجه انسانی است و در حال بررسی توسعه ایمپلنت‌های sub-chronic است که می‌توانند برای مدت طولانی  تا 30 روز در مغز باقی بمانند.

موسسه ملی اختلالات عصبی و سکته مغزی و DARPA بودجه این کار را تامین کردند. نویسندگان مشترک شامل مهندسان LLNL آنجلا توکر و مایکل تریپلت و همچنین مهندس سابق آزمایشگاه کی لی هستند. جراح مغز و اعصاب USCF، جیسون چانگ و محقق حرفه ای وابسته، کریستین سلرز نیز در این کار مشارکت داشتند.