Table of Contents
تطوير صفائف التسجيل العصبي فوق الكثافة يمثل قفزة تحولية في علم الأعصاب، مما يتيح للباحثين مراقبة النشاط الكهربائي للدماغ على نطاق غير مسبوق وحله، ومن خلال استخلاص إشارات من عشرات الآلاف من الأعصاب في وقت واحد، تقوم هذه الأجهزة بفتح الديناميات المعقدة للدوائر العصبية، وتوفر أفكاراً جديدة عن وظيفة الدماغ والسلوك والمرض.
تطور تسجيل الظواهر العصبية
وقد تطورت صفائف التسجيل العصبي بشكل كبير منذ الأيام الأولى من تسجيلات الكهرباء الواحدة، فقد اعتمد علماء الكهرباء على مدى عقود على كهرباء حادة واحدة أو مجموعة صغيرة من المايكرويات الصغيرة لرصد نشاط حفنة من الأعصاب، بينما أتاحت هذه الأساليب معرفة أساسية بشأن إمكانيات العمل والإمكانات الميدانية المحلية، إلا أنها لم تقدم سوى صورة مجزأة من مواقع الفرز المغناطيسي في عام 1980.
لقد جاء الانجاز الحقيقي بتقنيات اختلاق النظم الميكانيكية الدقيقة، من خلال تطبيق العمليات الفوقية الضوئية المقترضة من صناعة شبه الموصلات، يمكن للباحثين أن يخلقوا مسباراً مثبتة بالسيليكون مع عشرات مواقع التسجيل الفضائية بدقة، وكان مسبار ميشيغان والصفوفة الكهربائية في يوتا علامات مبكرة،
وفي العقد الماضي، أدت الابتكارات في التصميم والمواد إلى إدخال أعداد من القنوات إلى الآلاف، حيث قامت أجهزة مثل النيروبيكسيل (التي طورها معهد آلن والشركاء) بتعبئة ما يقرب من ألف موقع تسجيل على شانك واحد من نوع واحد، قادر على تسجيل أكثر من 700 من الأعصاب لكل مستكشف في القوارض، أما النماذج الحديثة، بما فيها صفائف عشرات من الـم.
الابتكارات التكنولوجية الرئيسية
وقد أدى التطور نحو صفائف الكثافة العالية إلى تقارب التقدم في مجال التكاثر الجزئي، وعلم المواد، والإلكترونيات، والاتصالات اللاسلكية، وفوق ذلك ندرس الابتكارات الأكثر أهمية.
التقليل من الكهرباء والاتصال
إن خفض الحجم المادي لكل موقع تسجيل أمر أساسي لزيادة الكثافة دون إحداث أضرار مفرطة في الأنسجة، فالكهرباء الحديثة لها سمات على مستوى 10-20 ميكروميتر، وحيزت فقط 20-30 ميكروميتر، ويتم ذلك بالتقليل من خلال التصوير الضوئي المتقدم، وعبوات التلقيح العميقة الرجعية، وتقنيات ربط الشظايا، كما أن البصمة الصغيرة تحسن من الحل المكاني، مما يتيح للباحثين التمييز بين الإشارات.
المواد القابلة للتجزئة والمرونة
وكثيراً ما تؤدي المسبارات الجامدة التقليدية إلى استجابة مناعية مستمرة تؤدي إلى ندرة في الجليد وتدهور الإشارات على مدى أسابيع، ولتجاوز هذا، تحول المهندسون إلى مواضع فرعية مرنة مثل البوليميد والبديلين وبوليمر السائل، وتتوافق هذه المواد مع الحركة النبيلة للدماغ، وتخفض من الضرر الناجم عن النسيج الناجم عن الازرق، علاوة على ذلك، تلف الكولوديوم مع البوليميرات السائلة المسببة مثل الارتوبائية:
الإلكترونيات النشطة وعملية الترميز
ومع اقتصار القنوات، يصبح التحدي المتمثل في نقل إشارات الأشعة الخام من خلال أسلاك رقيقة هائلا، حيث يُخفض عدد أصناف البيانات المتكاملة التكميلية لثاني أكسيد المعادن، التي تُبث مباشرة في المسبار العصبي، ويعالج هذه المشكلة، ويقلل المضخمات الشاسعة، والمصفوفات، والموصلات المتعددة الأطراف من عدد أدلة الإنتاج، مع الحفاظ على فرز الإشارات.
نقل البيانات اللاسلكية وتوصيل الطاقة
إن إزالة الترميزات أمر حاسم في دراسة السلوكيات الطبيعية، إذ تستخدم الصفوف الأخيرة الاتصالات القريبة من الحقول، أو التصادم المُستحث، أو أجهزة إرسال الموجات المليمترية لبث البيانات العصبية إلى جهاز استقبال قريب، ويمكن إيصال الطاقة اللاسلكية عن طريق التطفل الكهرومغناطيسي أو عن طريق البطاريات الصغيرة القابلة للشحن المدمجة في الزرع، وعلى سبيل المثال، أظهر الباحثون في جامعة كاليفورنيا، على شبكة سلكيلي الدوارة نشاطاًاًاً كاملاً.
التكاثر والقابلية للتصنيف
ولإنتاج أجهزة تحتوي على عشرات الآلاف من المواقع، انتقلت شركات التصنيع من الليثيوم إلى عمليات الأشعة المقطعية، ويمكن أن تستضيف مئات من المساحات المتطابقة، وكلها تحتوي على آلاف من الكهروديس، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف الوحدويات، وتستكشف بعض المجموعات تقنيات التعبئة 3D، حيث تكون الطبقات المتعددة من الكهروديس متكاملة رأسا، مما يزيد من الكثافة دون توسيع نطاق البحث.
تطبيقات في علم الأعصاب الحديث
وقد أعادت صفائف الكثافة العليا بالفعل تشكيل البحوث عبر مجالات متعددة من علم الأعصاب، من تحليل الدوائر الأساسية إلى دراسات ترجمية لاضطرابات الدماغ.
رسم خرائط للدائرة العصبية أثناء المقارنات
ومن أكثر التطبيقات قوة تسجيلها من أعداد كبيرة من السكان العصبيين بينما تنخرط الحيوانات في التعلم أو صنع القرار أو التفاعلات الاجتماعية، مثلاً عن طريق زرع مسيرات عالية الكثافة عبر القشرة الأمامية وهيبوكامبو من الجرذان، بدأ العلماء في الكشف عن مدى تسارع التجمعات العصبية في مجال الملاحة المكانية وتكوين الذاكرة، وقدرة الباحثين على رصد آلاف الأعصاب في آن واحد تسمح بتحديد أنماط حرائق الخلايا.
التحقيق في حالات التشوه العصبي والنفساني
إن صفائح الكثافة العالية توفر نافذة في النشاط الهابط الذي تقوم عليه ظروف مثل مرض الصرع ومرض باركينسون والاكتئاب، ففي حالة الجمود، مثلاً، يمكن للصفوف أن تحدد منطقة الضبط بدقة أكبر من الكهرباء السريرية التقليدية، التي توجه عملية إعادة التقطيع الجراحي، وفي نماذج الحدائق، لاحظ الباحثون وجود نسيج متزامن
النهوض بتفاعلات الدماغ - الموصلات
وتعتمد الوصلات البينية لحواسيب الدماغ على إشارات الجيران المزينة لمراقبة الأجهزة الخارجية، وتزيد صفائف الكثافة العالية ارتفاعا كبيرا من نطاق المعلومات المتاحة للتحلل، وقد أظهرت المظاهرات الأخيرة أن هناك مرضى مشلولين يستخدمون صفائف المايكروفتروجين العالية الكثافة لمراقبة الأسلحة الآلية بدرجات متعددة من الحرية، بل وتولد خطابات عن النشاط العصبي.
مبادرات الدماغ الكبيرة الحجم والعلوم التعاونية
وتستثمر المشاريع العالمية، مثل مبادرة براين في الولايات المتحدة، ومشروع الدماغ البشري في أوروبا، ومشروع الدماغ الصيني، استثماراً كبيراً في تكنولوجيا التسجيل فوق الكثافة، والهدف هو وضع مخططات شاملة لأسلاك الأسلاك وخرائط للنشاط في مناطق الدماغ بأكملها، وقد قامت ] مبادرة براين ] بتمويل مباشر من إعداد مواقع جديدة تشمل 000 2.
التغلب على التحديات المستمرة
ورغم التقدم الملحوظ، لا تزال هناك عقبات عديدة قبل أن تحقق صفائف الكثافة العليا إمكاناتها الكاملة في كل من البحوث والأماكن السريرية.
حجم البيانات ومعالجتها
ويمكن أن يولد اختبار واحد للكثافة عشرات من الجيبيات من البيانات في الساعة، ويمكن أن يصل الناتج الإجمالي من تجربة متعددة الاحتمالات بسرعة إلى التراب، ويحتاج تخزين ونقل وتحليل مجموعات البيانات الضخمة هذه إلى بنية أساسية حاسوبية متطورة، ومع ذلك، لا تزال هناك منابر قائمة على الكلاب وميسرات متخصصة في مجال تسارع الأجهزة (مثلاً، أشكال فرز البيانات الجغرافية، والأبعاد الحقيقية لمسح الترددات).
التكافؤ البيولوجي والاستقرار الطويل الأجل
وحتى مع وجود مواد مرنة، فإن الاستجابة المزمنة للجسم الأجنبي لا تزال تثير المشاكل، فخلال أشهر، تتسع الميكروجيا والستروفيتات للاختبار، وتزيد من الاختراق الكهربائي، وتخفض عدد الأعصاب المسجلة، وتستكشف بعض المجموعات المعاطف التي تستهلكها المخدرات والتي تُطلق عوامل مضادة للتهاب الدماغ أو عوامل عصبية، وتصمم بعضها بعضا من المشابكات التي تُضَع في الجسم الميكانيكي للأنسجة.
الإفراط في الغزو والتقنيات الجراحية
ويتطلب إدخال صفيفة صلبة أو شبه مرنة دون إحداث ضرر أو ضغط في الأنسجة العصبية الدقة القصوى، إذ يتم تسليم العديد من الأجهزة باستخدام أدوات الإضافة المتطورة أو الحقن ذات السرعة العالية، وتشمل النهج الجديدة استخدام الماشية الدقيقة أو عوامل التشفير المؤقت (مثلاً، السائل المنوي القابل للذوبان أو البوليثيلين بعد غدوله) التي تفكك.
Wireless Power and Data Bandwidth Constraints
وفي حين أن العملية اللاسلكية مستصوبة، فإن نقل آلاف الإشارات العصبية العالية الاستبانة من خلال الجمجمة يمثل قيودا أساسية على نطاق الترددات، ويمكن للنظم الحالية القريبة من الحقول أن تستوعب بضع مئات من القنوات بأسعار بيانات مقبولة، كما أن خطوط الموجات المميتة والوصلات البصرية تتيح قدرة أعلى، ولكنها تطرح تحديات هندسية جديدة، مثل متطلبات التدفئة وخط البصر، أما بالنسبة للزروعات السريرية، فإن القيود الإضافية التي تفرضها ميزانيات ضيقة جدارة (لت)
الاتجاهات المستقبلية والتصورات الناشئة
والجيل القادم من صفائف التسجيل العصبي يُفترض أن يكون أكثر تطوراً، وأن يدمج الطرائق المتعددة ويغلق الحلقة بين التسجيل والحفز.
المسابقات التالية
ويدفع الباحثون نحو صفائف يزيد عدد المواقع المسجلة على ٠٠٠ ١٠٠ موقع، وهذا يتطلب أساليب جديدة للاختلاق، مثل الدوائر النانوفوتونية لقراءة البيانات البصرية، أو التعبئة ٣ دال لطبقات الكهروود المتعددة، كما أن بعض التصميمات تتضمن قنوات للتدفقات الفلورية الصغيرة من أجل تسليم المخدرات المحلية، مما يتيح التسجيل المتزامن والتلاعب الصيدلي، ومفهوم " الغبار العزل " ، وإن كان مكسب غير مقص.
التكامل مع المواد الأفيونية وغيرها من الطرائق
ويسمح الجمع بين التسجيلات الكهربائية العالية الكثافة مع التحفيز البصري (الأجهزة الضوئية) للباحثين بقراءة وكتابة النشاط العصبي مع الدقة العالية، كما يُسمى " الوبتروديس " بدمج الأغبياء الخفيفة أو الألياف البصرية في الهيكل البديل، وتسمح هذه الأجهزة الهجينة بإجراء اختبارات سببية لوظيفة الدائرة العصبية:
قفل بابا وتداخل أجزائه
إن نظام العلاج أو العلاج النهائي لن يسجل فحسب بل سيحفز أيضاً استجابة للنشاط العصبي المستمر، على سبيل المثال، في حالة التناسل، يمكن لصفيفة منغلقة أن تكتشف بداية الضبط وتوصل نبضاً كهربائياً موقوتاً بدقة لإجهاضه، وفي مرض باركينسون، يمكن أن يُعدّل تحفيز الدماغ العميق المتكيف بشكل مستمر استناداً إلى تسجيلات الفوقية الحقيقية للآثار.
ترجمة إلى الاستخدام السريري البشري
وعلى الرغم من أن معظم الصفوف الحالية تستخدم في نماذج الحيوانات، فإن هناك زخما متزايدا نحو التطبيقات البشرية، وقد تمت الموافقة بالفعل على صفيفة Utah للاستخدام البشري القصير الأجل في دراسات BCI، ويجري تصميم صفائف جديدة مع السلامة البشرية في العقل، وتشمل الاعتبارات الرئيسية التوافق البيولوجي الطويل الأجل، والتغليف الدقيق، والتوافق بين أجهزة الاستنشاق والقراءة الدقيقة.
خاتمة
إن صفائف التسجيل العصبي التي لا تُعد على مستوى عال، قد حولت مشهد علم الأعصاب، ووفرت نافذة في النسيج الكهربائي للدماغ، وارتئيت أن ذلك مستحيلا، ومن خلال الكهرباء المصغرة، والمواد المتوافقة أحيائيا، والوصلات الإلكترونية غير المتحركة، وسجلت هذه الأجهزة الآن من خيام الألوف العصبية في وقت واحد، مما يدل على وجود اضطرابات في الوقت نفسه.