استكشاف استخدام الأجهزة الظواهر الظواهر الخلقية المختلطة البيولوجية والاصطناعية

فالأجهزة العصبية المختلطة الحيوية تتواجد في تقاطع البيولوجيا والهندسة، وتوفر نموذجا جديدا لإصلاح أو زيادة أو تداخل مع النظام العصبي، وخلافا للخلايا الإلكترونية الاصطناعية الكاملة، فإن هذه الأجهزة تتضمن عناصر حيوية - مثل الأعصاب الثقافية، والأنسجة الجذعية، أو النسيج العضوي - الجامدة مع الاصطناعية.

ما هي الأجهزة العصبية المهجنة؟

وتُعد الأجهزة العصبية المهجورة بيولوجية مصممة حيث تُدمج المكونات العصبية الحية مع مواد غير حية لتكوين وصلات وظيفية مع الجهاز العصبي، ويمكن أن يتراوح العنصر البيولوجي بين الأعصاب المنفصلة الواحدة والأعصاب العصبية المعقدة ذات الأبعاد الثلاثة أو شرائح من الأنسجة الدماغية، ويشمل العنصر التركيبي عادة صفائف المايكرويكية الدقيقة، أو أجزاء البوليمرات الكهربية المحتوية على مواد متداخل.

ويستمد هذا المفهوم الإلهام من قدرة الطبيعة على الشفاء وإعادة التأقلم، إذ يمكن لهذه الأجهزة، من خلال إدماج الخلايا الحية، أن تتكيف نظريا مع الظروف الفيزيولوجية المتغيرة وأن تدمج بصورة طبيعية أكثر من الكهروود المعدنية الصلبة، وتتسارع البحوث في هذا المجال في أوائل عام 2010 مع التقدم المحرز في بيولوجيا الخلايا الجذعية، والتسعير النانو، والمواد القابلة للتنافس الأحيائي.

العناصر الرئيسية والهيكل

المكونات البيولوجية

ويمكن أن يستمد الجزء الحي من جهاز هجين أحيائي من الأنسجة العصبية الأولية، أو الخلايا الجذعية المستحثة، أو خطوط الخلايا الجذعية العصبية، وتُزرع هذه الخلايا وتُوجَّه أحياناً إلى تكوين بنية محددة، مثل الهياكل الشوكية المطبقة أو المساحات المكسونية المتوائمة، وتشمل المتطلبات الرئيسية إمكانية البقاء والقدرة على تكوين سلاسل وظيفية، والتوافق مع النسيج.

كما استطلع الباحثون استخدام الأجهزة العصبية - الأقلية، والهيكلات الشبيهة بالعقل الثلاثي الأبعاد المستمدة من الخلايا الجذعية، ويمكن للأجهزة إعادة رسم الجوانب المتعلقة بتنمية الدماغ البشري والمرض، مما يجعلها أدوات قوية لكل من النظم الكيميائية البيولوجية المعالجةية والتوجهة نحو البحث، غير أن ضمان تشكيل منظم مستقر ومتجدد لا يزال يشكل تحديا.

المكونات الاصطناعية

ويشمل الجانب التركيبي أجهزة الكهرباء الدقيقة التي تسجل وتحفز النشاط العصبي، ويجري تخطيط المواد التقليدية مثل الذهب أو البلاتينوم بواسطة البوليمرات السلوكية مثل البولي )٣,٤-٤-الأثيلينديسيثيوفين( التي توفر تقلل من الارتحال وتضاهي ميكانيكية أفضل مع الأنسجة العصبية المرنة، والبوليمرات المؤثرة، والدوائر الكهرمائية.

كما يمكن أن تتضمن هذه المواد نظماً لغسل المخدرات، أو عوامل عصبية، أو أدوات نمطية لتوجيه النمو العصبي، ويجب أن تكون الطبقية التركيبية متوافقة بيولوجياً ليس فقط مع العنصر البيولوجي، بل أيضاً مع الجسم المضيف على مدى أشهر أو سنوات، كما أن المعاطف السطحية، مثل اللامينين أو البتيدات، تحسن صمام الخلايا وتخفف من التهاب.

"المُرشدة المتقاطعة"

والتفاعل بين الأحياء والأجزاء الاصطناعية أمر حاسم، إذ يجب أن تسمح هذه الطبقة بنقل الأيونات والكهرباء بكفاءة مع حماية كل من المكونات من الضرر، ويستخدم نهج واحد القنوات الفلورية لإنتاج المغذيات وإزالة النفايات من العنصر البيولوجي، ويستخدم الآخر هياكل مخرّبة أو مبيد هيدروجيل يشجّع على التغلغلّب النيوي في المصفوفة الكهروائية، كما يجري استكشاف الوصلات الضوئية الضوئية.

ويعتمد نقل الإشارات الفعالة على التقليل إلى أدنى حد من الإفتراض الكهربائي عند الواجهة مع الحفاظ على نسبة عالية من الإشارات إلى العلم، وقد أظهرت المواد القائمة على الكربون، مثل الغرافين أو نانووب الكربون، وعوداً بسبب ارتفاع مساحة سطحها وسلوكها، غير أن الشواغل المتعلقة بالسمية الطويلة الأجل لا تزال قائمة.

كيف أن النبائط الهجينة الحيوية تتواصل مع نيور تيل

فالتواصل بين الجهاز الهجين الحيوي والدماغ المضيف يحدث على مستويات متعددة، فالإشارة الكهربائية من الكهروديس الاصطناعية يمكن أن تؤدي إلى إمكانية اتخاذ إجراءات في المكونات البيولوجية، التي تروج من خلال السلاسل لاستضافة الأعصاب، وعلى العكس من ذلك، يمكن تسجيل النشاط العصبي المضيف بواسطة العنصر البيولوجي ونقله إلى النظام التركيبي، وهذا التفاعل ذو الاتجاهين أساسيين بالنسبة للتطبيقات مثل المراقبة العصبية المغلقة.

وفي العديد من التصميمات، يعمل العنصر البيولوجي كمضخم أو مترجم للإشارة، فعلى سبيل المثال، قد تستخدم واجهة مختلطة بيولوجية لإصلاح الحبل الشوكي مبيد عصبي: فالكهرباء الاصطناعية فوق موقع الإصابة تحفز الأوعية داخل الجهاز، التي تشكل عندئذ سلاسل مع وجود خلايا عصبية تحت النسيج، وتعيد تشكيل الربط الوظيفي، مما يتفادى الحاجة إلى أنماط مباشرة للإنتاج الكهرو -اكسون.

كما أن الإشارة الكيميائية مهمة، إذ أن بعض الأجهزة الهيدروجينية الحيوية تضم خلايا مصممة لإطلاق أجهزة نقل عصبية استجابة للتحفيز الكهربائي، مما يوفر شكلاً أكثر من أشكال الاتصال الفيزيائي، وهذا النهج ذو أهمية خاصة لإعادة التغذية المرتدة في أجهزة الاصطناعية الحسية، حيث قد يلزم إصدار درجة من الدوبامين أو السيروتونين.

ويكمن التحدي في تحقيق الربط الوظيفي المستقر والطويل الأجل، ويمكن للخلايا المناعية المضيفة أن تهاجم العنصر البيولوجي، وقد تتحلل المواد الاصطناعية أو تتآكل بمرور الوقت، ولذلك يركز الباحثون على استراتيجيات لحفز التسامح، مثل استخدام أجهزة قياس القدرة على معالجة الأمراض التي تستخدمها المريضات أو المعاطف المزودة بمغنى.

التطبيقات والبحوث الحالية

التصليح العصبي والتجديد

ويجري اختبار الأجهزة الهيدروجينية البيولوجية لسد الثغرات في الحبل الشوكي المضروب أو الأعصاب المحيطة به، ومن الأمثلة البارزة على ذلك وجود بذور مطوية في خلايا الجذع العصبي وتكتل ببوليمرات سلوكية ترشد التجدد الأكسوني، وفي نماذج الحيوانات، مكّنت هذه الأجهزة من استعادة جزء من وظيفة السيارات، أما التجارب السريرية فتتم في مراحل مبكرة، ولا يزال هناك تطبيق آخر على الارتداد الضوئي.

أوجه الدماغ - الموصل

وتهدف هذه المراكز إلى تحسين طول وخطورة التسجيلات العصبية، وبدلا من أن يكون الكهروود المعدني التقليدي الذي يُستَغل من أنسجة ندبة جلية، يمكن لعنصر معيشي أن يدمج بصورة أكثر اتساقا، فعلى سبيل المثال، قد يتألف من صفيفة مختلطة من الجيل الحيوي مكوَّنة بطبقة من الأعصاب التي تمتد العمليات إلى الأنسجة الدماغية المحيطة.

اختبار المخدرات ونموذج الأمراض

كما أن الأجهزة العصبية المهجورة الأحيائية تعمل كمنصات لدراسة آليات الأمراض وفحص العقاقير. وتدمج نظم " البولي أو المضغ " الأعصاب البشرية التي تستخدمها أجهزة الإي بي إس بي إس بي إس مدمجة مع أجهزة الاستشعار لقياس نشاط الشبكة، ويمكن استخدام هذه الأجهزة لتهيئة الظروف مثل مرض الأوبئة أو مرض باركينسون أو مرض الزهايمر، كما أن إضافة قنوات التشخيص الوبلازمي تسمح بالاستجابات الكهروفيزيائية الخاضعة للمراقبة.

Prosthetics Advanced with Sensory Feedback

وبالنسبة للأجهزة الاصطناعية، يمكن للنهج المهجنة البيولوجية أن توفر تغذية مرتدة حسية غنية، وقد يحتوي جهاز على ثقافة عصبية صغيرة تستجيب للضغط أو تمتد الإشارات من الاصطناعية، ثم ترسل إشارات نمطية إلى الأعصاب المتبقية في الأطراف المتبقية، مما يمكن أن يعيد الإحساس باللمس أو التصورات، وتستخدم النماذج الأولية مواد فائقة التأثير مقارنة بتحول المواد الكهربائية إلى مادة الميكانيكية.

التحديات والحدود

الاستجابة المأهولة والقابلية للمواءمة البيولوجية

والعقبة الرئيسية أمام الترجمة السريرية هي نظام المناعة المضيف، وحتى مع الخلايا الآلية (المستمدة من المريض)، يمكن أن تؤدي المكونات الاصطناعية إلى ردود فعل على الجسم الأجنبي، وقد يؤدي التهابها إلى كبس الجهاز، وإلى انخفاض قدرة العنصر البيولوجي على البقاء، وإلى فقدان الوظيفة في نهاية المطاف، ويقوم الباحثون باستكشاف المعاطف الاصطناعية، واستخدام المواد الكيميائية الحيوية التي تطلق مضادة للإصابة.

طول المدة: الاستقرار والقابلية للرؤية

ويحتاج الحفاظ على عدد من الزنازين الحية داخل زرع مختوم إلى إمدادات مستمرة من الأكسجين والمغذيات، فضلاً عن إزالة النفايات، كما أن بعض التصميمات تتضمن قنوات الفلورية المصغرة المرتبطة بالموانئ الخارجية، ولكن هذه الزرع المعقد وزيادة خطر الإصابة، كما أن النظم ذات الاحتواء ذاتي التي تحتوي على مولدات للأكسجين أو أجهزة المستودعات المغذية هي في مراحل البحث المبكر.

التكامل مع الدائرة المضيفة

ولكي يعمل جهاز هجين بيولوجي على النحو المقصود، يجب أن يشكل عنصره البيولوجي وصلات متينة ملائمة مع الدماغ المضيف، ويصعب للغاية تحقيق ذلك بطريقة خاضعة للرقابة، ويجب أن يبحر الأكسون عبر الأنسجة النادرة، وأن يتبع أدوات التوجيه الصحيحة، وأن يتكون من خلايا مستهدفة محددة، وقد تعتمد الأساليب الحالية على النمو العشوائي والبلاستيك الطبيعي، ولكن النتائج متغيرة.

الاعتبارات الأخلاقية

فالأجهزة المهجنة البيولوجية التي تدمج الأعصاب البشرية من مراكز خدمات الصحة البيئية تثير تساؤلات بشأن الوضع الأخلاقي، خاصة إذا أصبحت الثقافة كبيرة ومعقدة بما يكفي لإثبات الخواص المعرفية الناشئة، وفي حين أن الكائنات العضوية الحالية بعيدة عن الوعي، نظراً إلى التقدم الميداني، يجب وضع مبادئ توجيهية لمنع إنشاء هياكل مرسلة دون قصد، وبالإضافة إلى ذلك، فإن إمكانية تعزيزها بصورة معرفية من خلال عوامل الإنصاف في مجال الهوية البيولوجية، هي أمور أخرى غير قابلة للإصلاح.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

مواد ومواد ومواد التكرار

فالتقدم في علوم المواد يخلق إمكانيات جديدة، إذ أن سبائك المعادن السائلة وبوليمرات التعبئة الذاتية والالكترونيات القابلة للاستهلاك الأحيائي يمكن أن تقلل من استجابات الأجساد الأجنبية الطويلة الأجل.() ويمكن للطباعة الأحيائية أن تتيح وضعا دقيقا للخلايا وقطع الخيوط لخلق أجهزة للصوت مصممة خصيصا لجهاز التشريح الخاص بالمريض، وعلى سبيل المثال، طباعة الباحثين أذنا بيولوجيا ذاتيا ذات خلايا العصبية المتكاملة لتقنيات الموحدة لاستعادة السمع المحتملة.

Optogenetics and closed-Loop Systems

ويضيف الجمع بين التفاؤل والأجهزة المهجنة الحيوية بعدا جديدا للتحكم، ويمكن تصميم النيوروات الموجودة في الجهاز جينيا للاستجابة للنبضات الخفيفة التي يتم تسليمها عن طريق الأجهزة المصغرة المتكاملة، مما يتيح إجراء محاكاة انتقائية عالية لأنواع معينة من الخلايا داخل الجهاز، وتجاوز القطع الأثرية الكهربائية.

Artificial Intelligence Integration

ويمكن للتعلم من الآلات أن يزيل الإشارات العصبية من الجهاز الهجيني الحيوي وأن يترجمها إلى أوامر للأجهزة الاصطناعية أو الحواسيب، وعلى العكس من ذلك، يمكن أن يولد نظاما محاكاة يمكن أن يخفف من الرموز العصبية الطبيعية، ويمكن لهذا التآزر أن يحسن بشكل كبير من إمكانية استخدام مركبات الكربون البيولوجية، وقد تدمج الأجهزة المقبلة شبكات عصبية تقوم على معالجة البيانات محليا، مما يقلل من التساهل واستهلاك الطاقة.

الطب الشخصي والقابلية للتقسيم

ويمكن لاستخدام أجهزة تحديد المواقع التي تستخدمها المرضى أن تتيح للزراعة الشخصية المهجورة بيولوجياً مصممة حسب الخصائص الوراثية وغير الأخلاقية للفرد، غير أن هذا النهج يتطلب شهوراً من الثقافة الخلوية ومراقبة الجودة لكل مريض، مما يحد من إمكانية التكدس، وقد تكون الأجهزة الموجودة في المصفوفة التي تستخدم خلايا المانحين العالمية (التي تُعدّل للتهرب من الرفض المناعي) أكثر عملية.

خاتمة

BioFhyd neural devices represent a convergence of biological science and engineering that could fundamentally alter the treatment of neurological disorders. By combining the adaptability of living curriculum with the precision of electronics, these systems offer the potential for more seamless, long-lasting integration with the tensions remain in immune compatibility, viable, and operational connectionivity, the pace of discovery is acceleratingthrough