تطور الظواهر العصبية المتوحشة

وقد شهد مجال الهندسة العصبية تحولا عميقا خلال العقد الماضي، بسبب تقارب التكاثر في المايكروفي، وعلم المواد، وتكنولوجيات الاتصالات اللاسلكية، حيث اعتمد الباحثون الفصائل العصبية التقليدية ونظم المحاكاة على أسلاك مُهددة، مما أدى إلى اختراق الجلد، وخلق مسارات للإصابة، والحد من تنقل المرضى، ويمثل التحول نحو نظم غير قابلة للزراعة تماما، وتغيرا في طريقة معالجة المخ.

فالتكنولوجيات العصبية اللاسلكية تعمل في تقاطع التدنية القصوى وعبر إنتاج البيانات القوية، ويجب أن تلتقط الأجهزة غير القابلة للتلف إشارات من فرادى الأعصاب أو الإمكانات الميدانية المحلية، وأن ترقمها، وأن تنقل المعلومات عبر حاجز الجلد دون فقدان موثوق به، وفي الوقت نفسه، تحتاج هذه الأجهزة إلى مصادر قدرة موثوقة لا تتوقف على نقل البطاريات التي يمكن استبدالها، مما يتطلب تدخلات متضاربة ذات كفاءة عالية.

لماذا لاسلكية تطبيقات العيادات والبحوث

إن الحتمية السريرية للوصلات العصبية اللاسلكية تتجاوز راحة المرضى، ففي تطبيقات مثل تحفيز الدماغ العميق لمرض باركينسون أو إدارة الأوبئة المغلقة، والقدرة على رصد النشاط العصبي المستمر وتعديل معايير المحاكاة في الوقت الحقيقي، تتطلب قناة اتصال موثوقة ذات توجهات متينة، وتسمح النظم اللاسلكية بفتح هذا النشاط غير المستقر دون أن يتجمع الملاحون الخارجيون.

تكنولوجيا نقل البيانات: نظرة أعمق

ويعرض نقل البيانات العصبية من داخل الجسم إلى أجهزة الاستقبال الخارجية مجموعة فريدة من القيود، ويزداد متوسط النسيج المادي وتشتيته، ولا سيما في ارتفاع الترددات، وبالإضافة إلى ذلك، فإن ميزانية الطاقة اللازمة لمرسل قابل للزراعة تحد بشدة من جراء تفرق الحرارة والقدرة على البطارية، كما أن الطرائق الرئيسية الثلاثة التي أبرزتها المصطلحات الأصلية للمسح الضوئي(6212)؛ وتوفر البيانات المتعلقة بالأشعة والمتفائل الفوقية(12).

محطة إذاعة التردد: مجموعة العمل في التل العصبي

ولا يزال الاتصال بالترددات اللاسلكية هو أكثر الطرق اعتمادا لنقل البيانات العصبية اللاسلكية، نظرا لنضجه وللهياكل الأساسية الواسعة النطاق التي استحدثت من أجل الأجهزة اللاسلكية الاستهلاكية، حيث تعمل الازدحامات العصبية الحديثة في إطار دائرة الاتصالات الزرعية الطبية على نطاق أقل من 402 بالمئة و122؛ 405 ميغاهيرتز أو النطاق الصناعي والعلمي والتواتر الطبي (ISM) على نحو أكثر فعالية.

وتركز الابتكارات الحديثة في مجال القياسات العصبية لترددات الإبلاغ على تقنيات الاتصال عبر النطاق الترددي، التي تنشر إشارات عبر نطاق الترددات الكبيرة لتحقيق معدلات بيانات تتجاوز 100 مليون طن في حين تحافظ على كثافة منخفضة في الطاقة، وقد أثبت الباحثون في جامعة براون وشركة كيولكوم أجهزة إرسال غير عادية تقل فيها الطاقة عن 1 ملليوات من الطاقة الكهربائية بينما تبث البيانات اللاسلكية من مئات القنوات في نفس الوقت.

(ب) تشمل مزايا البث الترددي ما يلي: [(FLT:1]) ارتفاع القدرة على استخدام البيانات، والموثوقية المثبتة في البيئات السريرية، والتوافق مع البروتوكولات اللاسلكية القائمة، غير أن إشارات الترددات الاتحادية تخضع لتدخل متعدد التعاطف ويمكن استيعابها بواسطة الأنسجة، مما يحد من عمق زرعها، علاوة على أن انتقال الترددات من نوع إفراز الترددات يثير شواغل أمنية، حيث يمكن اعتراض الإشارات أو تضييقها من خلال عوامل التلقيح.

الاتصالات البصرية اللاسلكية: ارتفاع معدل الارتداد عبر الضوء

:: الاتصالات اللاسلكية غير البصرية للزراعة العصبية التي تضغط على الضوء القريب من الاشعة في نطاق الـ 700#8211؛ 000 1 نانوميتر لنقل البيانات عبر الأنسجة، والميزة الرئيسية للطرق البصرية هي إمكانية ارتفاع عرض النطاق الترددي إلى حد بعيد، حيث يمكن نقل الناقلات الخفيفة على الترددات التي تتجاوز بكثير المعدلات التي يمكن تحقيقها مع البيانات ذات الترددات المتوسطة في جامعة كاليفورنيا، في وقت واحد.

وتتيح فيزياء انتشار الضوء في الأنسجة فرصاً وتحديات على السواء، ولكن التجارب الخفيفة ذات الاحتياجات الأدنى من حيث الأشعة المنخفضة نسبياً واستيعاب النسيج البيولوجي مقارنة بالأغلال الموجية الظاهرة، مما يتيح الانتقال عبر عدة سمات من الجلد والعظم، غير أن متطلبات المواءمة بين جهاز الإرسال الضوئي المزروع وجهاز الاستقبال الخارجي هي شروط صارمة، وأي حركة من اختيارات النسيج المرئية فيما يتعلق بتقنيات التعريف.

وثمة نهج جديد آخر في إطار النقل العصبي البصري يتمثل في استخدام ] المراسلين البصريين المتحركين بطريقة غير متجانسة ] الذين يجمعون بين التسجيل العصبي والحفز البصري، وفي هذه النظم، تنتج مؤشرات الفولط المزروعة جينيا إشارات الفلورية استجابة للنشاط العصبي، وتلتقط هذه الإشارات الضوئية بواسطة جهاز استجواب خارجي غير مرئي.

نقل الألبسة الأرضية: موثوقية الاصطناعية

وتوفر الموجات فوق الصوتية آلية مختلفة اختلافا جوهريا لنقل البيانات العصبية، تعتمد على الموجات الميكانيكية بدلا من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتتمثل الميزة الرئيسية للأشعة فوق البنفسجية في قدرتها على التسلل إلى أعماق الأنسجة بأقل قدر من التكثيف مقارنة بالطرق الارتجاعية والبصرية على حد سواء، وتتنقل الموجات فوق الصوت بكفاءة عبر العظام والعضلات والدهون، مما يجعلها في مواقع متقلبة بشكل خاص في مواقع عميقة.

وقد أنتجت هذه الأجهزة في الآونة الأخيرة من جامعة جنوب كاليفورنيا وجامعة ستانفورد أجهزة تسجيل عصبية فوق الصوت تعمل بالترددات بين 1 و10 ميغاهرتز، وهي تورد بيانات عصبية عن طريق تعديل نهج الإشارة الموجة فوق الصوتية المعبر عنها إلى 8212؛ وتقنية النقل المشابهة للتواصل المكرر في نظم إدارة الترددات، وعكست شبكة المعلومات الخارجية التي تستخدم في استخدام الموجات فوق الصوتية.

(أ) إذا كان الحد الأولي للانتقال فوق الصوتي هو معدل البيانات. ] While RF and optical systems can achieve megabit and Giabit data rates, ultrasonic systems typically operate in the kilobit to low-megabit range due to the comparatively low frequency ofميكانيكي waves. Nevertheless, for many clinical radiation applications where the number of recording alternative channels is modest,

وللاستعراض التقني الشامل لطرائق النقل هذه، يمكن للقراء أن يشيروا إلى التحليل المفصل الذي نُشر في Nature Reviews Neuroscience] بشأن الوصلات العصبية اللاسلكية (https://www.nature.com/articles/s41586-022-04920-4).

نقل الطاقة اللاسلكية: إثراء الدماغ المزروعة

ولا يزال تسليم الطاقة إلى الأجهزة العصبية التي تزرع في الميدان أحد أهم التحديات الهندسية في الميدان، إذ يحتل البطاريات الحجم ويحتاج إلى استبداله في نهاية المطاف ويعرض مخاطر السمية إذا تسربت، وتهدف تكنولوجيات نقل الطاقة اللاسلكية إلى توفير الطاقة المستمرة أو التي تُطلب في الحال لزرعها دون وصلات مادية، مما يتيح التشغيل الدائم أو شبه الدائم، ويستخدم الأساليب الرئيسية الثلاثة التي تستخدم في استخدام الطاقة في الزراعة، وترميم مواقع الطاقة.

الدمج الاسترشادي: Proven and Practical

إن الانقلابات الناشطة هي أكثر تكنولوجيا الطاقة اللاسلكية نضوجاً في الزرع الطبي، وقد استخدمت منذ عقود في زرعات الكشلاير وبطارات القلب، وهذا المبدأ واضح: فكل منافذ خارجية يقودها تيار متغير يولد مجالاً مغناطيسياً يحفز على توليد تيار في سائل مسلّم تحت الجلد، وتعتمد كفاءة نقل الطاقة اعتماداً حاسماً على التناسق والمسافات.

وتركيز التطورات الأخيرة في التقارب الاستباقي للزراعة العصبية على تحسين التسامح مع سوء السلوك، فالوصلات التقليدية التي تنطوي على إحداثيات معينة دقيقة، يصعب الحفاظ عليها مع تحركات المرضى، وقد طور الباحثون ثلاثة أديان من حيث الحصول على الفحم وربط الارتداد التكييفي بالشبكات التي تكيف تلقائياً مع الترددات الصوتية للحفاظ على نقل السلطة الأمثل عبر مجموعة من المناصب.

(أ) أن تكون الاعتبارات المتعلقة بالمصالحة فيما يتعلق بالجمع بينات المستحثة [(FLT:1])] مركزاً على معدل الامتصاص المحدد في الحقول المغناطيسية في الأنسجة، وفي حين أن الحقول المغناطيسية تعتبر عموماً أكثر أماناً من الحقول الكهربائية، فإن الحقول المغناطيسية العالية الرحمية يمكن أن تحفز تيارات الدودي التي تسبب تسخين الأنسجة.

الشحنات اللاسلكية المسببة للسخرية: توسيع نطاق الرنجية

ويُستخدم الوصلات الحثية المتكررة، المعروفة أيضاً باسم نقل الطاقة اللاسلكية في منتصف المدة، دوائر مترددة على الجانبين المرسل والمستقبل لتحسين الكفاءة على مسافات أكبر، وبمواءمة ترددات أجهزة الإرسال والتقاط، يمكن نقل الطاقة بكفاءة حتى عندما تفصل الفحم بعدة سنتيمتر ولا تتواءم تماماً مع هذه التكنولوجيا الشهيرية.

وبالنسبة للزنابق العصبية، فإن الشحنات المتكررة تتيح ميزة المهاجر في زرعها ].() ويمكن لمرسل مستعمل على المحك أن يوصل الطاقة إلى زرع يقع في عمق عدة سنتيمترات دون اشتراط وضع الزرع مباشرة تحت موقع الوصل الأمثل.

وتشمل التحديات التي تواجه التكسير المستمر الحفاظ على استقرار الارتداد عبر تغيرات الأنسجة وتغيرات درجات الحرارة، وتختلف الأنسجة البيولوجية مع التواتر، والتهويد، وتدفق الدم، وكلها يمكن أن تزيل الدائرة الصوتية، وتشتمل النظم المتقدمة على التتبع في الوقت الحقيقي، وتكيف المقاييس التراكمية التي تكيف باستمرار تواتر إرسال المواد الكيميائية للحفاظ على تكنولوجيا الارتداد.

محطة إذاعة لتوليد الطاقة: الطاقة من الجو

ويقضي جمع الطاقة في إطار الترددات الإقليمية على الحاجة إلى رصيف خارجي يُستخدم بالكامل من خلال استخلاص طاقة الترددات اللاسلكية من البيئة، حيث أن البرج الخلوي، وموجهي الواي فاي، ومحطات البث التلفزيوني تعمل جميعها في مجال الطاقة المضغوطة التي يمكن، من حيث المبدأ، أن تُجمع إلى أجهزة متناهية الصغر تستخدم في تسجيل كميات منخفضة من المقياس، والواقع العملي أن كثافة الطاقة في إطار الترددات المتوسطة منخفضة جدا في معظم البيئات.

ولمعالجة هذا التقييد، طور الباحثون أجهزة نقل الطاقة التابعة لمؤسسة ريادي (FLT:1]) تعمل في نظام المناطق البعيدة، وتسلم الطاقة على مسافات عدة مترات، وتستخدم هذه النظم العتبات الموجية، وتركيز الطاقة في منطقة الساحل والرأس الأخضر على الزرع، وتحقيق مستويات الطاقة الكافية للتسجيل المتقطع أو الحفز.

ورغم هذه القيود، يظل جمع الطاقة في إطار النتائج مجالا نشطا من مجالات البحث بسبب إمكاناته في مجال التشغيل الفعلي الخالية من التكرار، وقد أظهر العمل الذي جرى مؤخرا في جامعة واشنطن علامة تسجيل عصبية تعمل على الطاقة المحصولة من الترددات المتوسطة فقط، باستخدام نظام اتصال مكرر يعكس إشارات الحوادث من نوع RF لنقل البيانات العصبية، ويحقق هذا النهج استهلاكا كاملا من الطاقة يقل عن 10 ميغاواط، مما يتيح التشغيل المستمر من جهاز إرسال مخصص.

تكامل البيانات والسلطة:

ومن أكثر الاتجاهات إثارة في التكنولوجيا العصبية اللاسلكية إدماج نقل البيانات ونقل الطاقة في واجهة سلكية واحدة، بدلا من أن تكون هناك سُكُل أو هوائيات منفصلة للقوى والبيانات، تستخدم النظم الموحدة وصلة الكهرومغناطيسية الوحيدة لخدمة كلتا الوظيفتين في آن واحد، وهذا التكامل يقلل من البصمة المادية للتشغيل الجراحي، ويقلل إلى أدنى حد عدد المكونات التي يمكن أن تفشل.

الطاقة ونقل البيانات في الوقت نفسه

وقد وضعت عدة استراتيجيات لنقل الطاقة اللاسلكية والبيانات في الازدحام العصبي في نفس الوقت، ويستخدم نهج واحد تعددية تقسيم الترددات، حيث تنقل الطاقة على تردد أدنى، وتُحوَّل البيانات إلى ناقل أعلى التردد يتقاسم نفس الفحم أو الهوائي، ويستخدم نهج آخر التراكم الزمني، حيث يحدث نقل الطاقة ونقل البيانات في مراحل تشغيلية متغيرة، مع مرحلتين من مراحل التشغيل الأولى.

(أ) أن مخططات التحوير المتطورة مثل مفتاح الشحن (LSK) تسمح للزرع بمسح البيانات الجاهزة إلى ناقلات الطاقة نفسها، وفي LSK، يختلف الزرع عن اتجاهه، مما يغير الارتداد الذي يشاهده جهاز النقل الخارجي، ويمكن اكتشاف هذه التغيرات الجذابة في حجم التركة.

الأمن والخصوصية في الاتصالات العصبية اللاسلكية

وتُحدث الطبيعة اللاسلكية لهذه الوصلات أوجه ضعف غير موجودة في النظم اللاسلكية، فالبيانات العصبية من بين أكثر المعلومات الحميمة والشخصية التي يمكن للشخص أن يولدها، لأنها تعكس الأفكار والمقاصد والأوضاع الفيزيولوجية، ويمكن أن تترتب على عدم الترخيص باعتراض هذه البيانات أو التلاعب بها عواقب وخيمة على خصوصية المرضى وسلامتهم.

بروتوكولات التشفير والتوثيق

ويصعب تنفيذ التشفير القوي في الأجهزة المزروعة بسبب القيود الشديدة على القدرة على توليد الطاقة والذاكرة والتجهيز، إذ أن خوارزميات التشفير اللامعية مثل معيار التشفير المتقدم الذي يحتوي على 128 نقطة مئوية يمكن تنفيذه في أجهزة ذات استهلاك من الطاقة دون السائلة، وهي الآن معيار في العديد من الزرع العصبية التي تعمل في إطار البحث، غير أن الإدارة الرئيسية لا تزال تشكل تحدياً:

(ب) توفر الوظائف غير القابلة للاشتعال (PUFs) حلا واعدا للتوثيق الزرعي والتوليد الرئيسي، وتستغل هذه المواد المتطورة في رقائق الذاكرة السائلة لتوليد بصمات فريدة من نوعها لا يمكن إستنساخها أو التنبؤ بها، وذلك بإدماج محركات التطهير التراكمي في أجهزة التبريد العصبية، ويمكن للجهاز أن يولد الاختراع

التدريج والمواءمة البيولوجية

إن النجاح العملي للتكنولوجيات العصبية اللاسلكية يتوقف على التغليف والتوافق البيولوجي بقدر ما يتوقف على أداء الإلكترونيات نفسها، ويجب أن تنجو المزروعات في البيئة الكيميائية القاسية للجسد لعقود دون أن تتآكل أو تشعل تها مزمنة، ويجب أن تكون صغيرة بما يكفي لوضعها في أماكن مشددة لا تضر بالأنسجة المحيطة.

استراتيجيات التعبئة المسبقة

وقد أدت التطورات الأخيرة في التغليف الطري باستخدام parylene-C، وخزائن الألمنيا، وخطوط التيتانيوم ] إلى إنتاج زرعات يمكن أن تحافظ على سلامتها لأكثر من 10 سنوات في اختبارات الشيخوخة المعجلة، ويجب إدماج القوى اللاسلكية وجلود البيانات في المجموعة بطريقة لا تتدخل في نقل الإشارات بينما لا تزال توفر حاجزا كاملا ضد الشعارات.

وقد وضع باحثون في معهد فراونهوفر منصة زرع عصبية تدمج الفحم اللاسلكي مباشرة في إطار مرن من الرواسب المتعددة الوسائط، حيث توجد الكترونيات في طبقة رقيقة من الببغاء - جيم. ويقل سمك الزرع عن 200 ميكروميتر، مما يجعله ملائما للتنسيب دون إحداث ضغط كبير على الأنسجة.

التطبيقات السريرية وحالات الاستخدام الناشئة

(ب) التكنولوجيات الموصوفة أعلاه تتيح توليداً جديداً من التطبيقات السريرية كان من المستحيل أو غير عملي في السابق، وتجد الوصلات العصبية اللاسلكية استخداماً في المجهزة بمضادات عصبية مخزنة للمرضى المصابين بإصابات في الحبل الشوكي، حيث تتيح التحكم المباشر في الأطراف الآلية أو نظم التحفيز الكهربائي الوظيفي.

وفي مجال البحوث، تحولت الوصلات العصبية اللاسلكية دراسات السلوك الاجتماعي في نماذج الحيوانات، وقد أصبحت التجارب التي تتطلب من الحيوانات المتعددة التفاعل بحرية في البيئات الطبيعية ممكنة الآن مع أجهزة إرسال لاسلكية خفيفة الوزن، مجهزة برؤوس، تبث البيانات العصبية من عشرات الحيوانات في آن واحد، وهذه القدرة تولد رؤية جديدة في الأساس العصبي للتواصل الاجتماعي، والعدوان، وسلوك المغازلة الذي لم يكن متاحاً لنظم التسجيل المُعَّة.

الاتجاهات المستقبلية والتحديات المتبقية

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ، لا تزال هناك تحديات كبيرة قبل أن تصبح الوصلات العصبية اللاسلكية أدوات سريرية روتينية، ولا تزال المفاضلة بين معدل البيانات واستهلاك الطاقة تحد من عدد القنوات التي يمكن تسجيلها في آن واحد، وتحد السلامة الحرارية من كثافة نقل الطاقة اللاسلكية، ولا سيما فيما يتعلق بالزرعات التي تقع بالقرب من الهياكل الحساسة من درجة الحرارة في المخ، ولا تزال الطرق التنظيمية للأجهزة الطبية اللاسلكية الجديدة آخذة في التطور، كما أن الدراسات المسبقة عن طريق التجهيز الحيوي المستقرة الطويلة الأجل

الطريق إلى ارتفاع معدلات البيانات

ومن بين النُهج الناشئة لزيادة معدلات البيانات في الوصلات العصبية اللاسلكية استخدام ] متعددة النواتج (MIMO) الاتصالات ) التقنيات المستعارة من تكنولوجيات الخلايا والشبكة الإلكترونية، وذلك باستخدام صفائف متعددة من رموز الزرع والمستقبل الخارجي، يمكن أن تحقق نظم المنظمة زيادة في إنتاج النسيج دون زيادة استهلاك الطاقة أو النطاق الترددي.

Energy Autonomy through Hybrid Harvesting

وثمة حدود أخرى هي استقلال الطاقة، حيث يمكن للزراعة العصبية أن تجني كل الطاقة اللازمة من مصادر متعددة للمحيطات في وقت واحد، أما النظم الهجينة التي تجمع بين جمع الطاقة في إطار الترددات المتوسطة والطاقة الكثيفة التي تنبع من حركة الجسم، والتحول الحراري من حرارة الجسم، فيمكن أن يوفر طاقة مستمرة دون أي جهاز إرسال خارجي مخصص، وفي حين أن محاصيل الطاقة من هذه النظم منخفضة جدا حاليا بالنسبة لأجهزة التسجيل العصبي، فإن التقدم في مجال الطاقة الكهربائية الخفيضة القدرة الكهربائية

For further reading on the regulatory landscape and clinical translation pathways for wireless neural technologies, the FDA's guidance document on implantable neurostimulation devices provides an essential reference (https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/implanted-brain-computer-interface-devices additional

خاتمة

وقد تطورت تكنولوجيا نقل البيانات العصبية اللاسلكية والكهرباء من الفضول المختبرية إلى الأدوات ذات الصلة السريرية التي بدأت تحول معالجة الاضطرابات العصبية وتوسيع حدود علم الأعصاب الأساسية، وتختلف النهج المعتمدة حسب الرقم 8212؛ ونموذج الإبلاغ، والصورة، والزنوج، ونقل البيانات فوق الصوتية؛ وعمق الظواهر الطبيعية، وطريقة تحويل الطاقة إلى 812؛ وينعكس أثر الاختلاف في تصميمات.

إن إدماج البيانات والطاقة في الوصلات اللاسلكية الموحدة، إلى جانب التقدم المحرز في التشفير والتقليل إلى أدنى حد والتغليف المتوافق مع البيئة، يحرك الميدان نحو نظم مجهزة بالكامل لا تتطلب أي وصلات خارجية وتدخلا ضئيلا للمستعملين، ومع نضج هذه التكنولوجيات، فإنها تعد بأن تحقق رؤية طويلة الأمد للوصلات العصبية العالية الجودة التي تستعيد العمل وتحسن نوعية الحياة وتعميق الفهم.