گردوغبار عصبی

**گردوغبار عصبی** گونه‌ای از دستگاه‌های در ابعاد نانومتری است که به‌عنوان حسگر عصبی با انتقال بی‌سیم انرژی کار می‌کند؛ این فناوری نوعی رابط مغز و رایانه به‌شمار می‌آید. این حسگرها می‌توانند برای مطالعه، پایش یا کنترل عصب‌ها و ماهیچه‌ها و نیز برای نظارت از راه دور بر فعالیت عصبی به‌کار روند. در عمل، یک روش درمانی پزشکی می‌تواند هزاران واحد گردوغبار عصبی را به مغز انسان وارد کند. اصطلاح «گردوغبار عصبی» از مفهوم گردوغبار هوشمند گرفته شده است، زیرا حسگرهایی که به‌عنوان گردوغبار عصبی استفاده می‌شوند، ممکن است در همان چارچوب نیز تعریف شوند.

## پیش‌زمینه
طرح «گردوغبار عصبی» نخستین بار در یک ارائه در سال ۲۰۱۱ توسط یان رابای از مرکز پژوهشی بی‌سیم دانشگاه کالیفرنیا، برکلی پیشنهاد شد و سپس توسط دانشجویان تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه او به نمایش درآمد. هرچند تاریخچهٔ رابط‌های مغز و رایانه با اختراع الکتروانسفالوگرام توسط هانس برگر در سال ۱۹۲۴ آغاز شد، اصطلاح رابط مغز و رایانه تا دههٔ ۱۹۷۰ در متون علمی به کار نرفت. پژوهش شاخص این حوزه در دانشگاه کالیفرنیا، لس‌آنجلس و در پی دریافت کمک‌هزینهٔ پژوهشی از بنیاد ملی علوم انجام گرفت.

گرچه گردوغبار عصبی در دستهٔ رابط‌های مغز و رایانه قرار می‌گیرد، می‌تواند در حوزهٔ پروتزهای عصبی نیز به‌کار رود. این دو اصطلاح گاهی به جای هم استفاده می‌شوند، اما تفاوت اصلی آن‌ها در این است که رابط مغز و رایانه معمولاً فعالیت عصبی را مستقیماً به یک رایانه متصل می‌کند، در حالی‌که پروتزهای عصبی فعالیت در دستگاه عصبی مرکزی را به ابزاری مرتبط می‌سازند که برای جایگزینی کارکرد یک اندام از دست‌رفته یا آسیب‌دیده طراحی شده است.

## کارکرد
### اجزا
اجزای اصلی سامانهٔ گردوغبار عصبی شامل گره‌های حسگر (گردوغبار عصبی) است که هدف آن‌ها داشتن ابعاد در مقیاس ۱۰ تا ۱۰۰ میکرومتر مکعب است. همچنین یک واحد پرسشگر زیرجمجمه‌ای در زیر سخت‌شامه قرار می‌گیرد که هم توان لازم را فراهم می‌کند و هم پیوند ارتباطی با گردوغبار عصبی را برقرار می‌سازد.

حسگرهای گردوغبار عصبی می‌توانند از سازوکارهای گوناگونی برای دریافت توان و برقراری ارتباط استفاده کنند، از جمله امواج رادیویی سنتی و نیز امواج فراصوت. نمونهٔ مبتنی بر فراصوت شامل یک جفت الکترود ثبت‌کننده، یک ترانزیستور ویژه، و یک حسگر پیزوالکتریک است. بلور پیزوالکتریک توانایی ثبت فعالیت مغز از فضای خارج‌یاخته‌ای و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی را دارد.

### انتقال داده و توان
با آن‌که شکل‌های گوناگونی از رابط‌های مغز و رایانه وجود دارد، گردوغبار عصبی به دلیل اندازهٔ بسیار کوچک و توانایی بی‌سیم خود جایگاه ویژه‌ای دارد. گرچه امواج الکترومغناطیسی مانند امواج رادیویی می‌توانند برای برهم‌کنش با گردوغبار عصبی یا دیگر حسگرهای بی‌سیم به‌کار روند، استفاده از فراصوت باعث کاهش تضعیف در بافت‌ها می‌شود. این موضوع به معنای امکان کاشت در عمق بیشتر (و در نتیجه ارتباط آسان‌تر با واحد ارتباطی زیرجمجمه‌ای) و نیز کاهش انرژی پراکنده‌شده در بافت‌های بدن به‌سبب پخش یا جذب است. انرژی اضافی در قالب گرما ظاهر می‌شود که در صورت افزایش بیش از حد می‌تواند به بافت اطراف آسیب برساند. از دید نظری، استفاده از فراصوت اجازه می‌دهد حسگرهایی با اندازه کمتر از ۱۰۰ میکرومتر ساخته شوند، هرچند چالش‌های عملی و مقیاس‌پذیری همچنان پابرجاست.

#### ارتباط پس‌پراکنی
به دلیل اندازهٔ بسیار کوچک حسگرهای گردوغبار عصبی، ساخت یک فرستندهٔ کارآمد در درون خود حسگر تقریباً ناممکن است؛ بنابراین از ارتباط پس‌پراکنی که از فناوری شناسایی با امواج رادیویی (RFID) گرفته شده، استفاده می‌شود. در RFID، برچسب‌های غیرفعال و بدون باتری قادرند انرژی امواج رادیویی را در نزدیکی دستگاه پرسشگر جذب و بازتاب کنند. این بازتاب می‌تواند تعدیل فرکانسی شود و اطلاعات را کُدگذاری کند. گردوغبار عصبی نیز از این روش بهره می‌برد، به این صورت که دستگاه زیرسخت‌شامه‌ای یک پالس (رادیویی یا فراصوتی) ارسال می‌کند و حسگرهای گردوغبار آن را بازتاب می‌دهند.

در حالی‌که گردوغبار عصبی می‌تواند با یک تقویت‌کنندهٔ سنتی پتانسیل عمل را آشکار کند، در نمونهٔ مبتنی بر فراصوت، یک بلور پیزوالکتریک نیز می‌تواند سیگنال را از موقعیت خود در *فضای خارج‌یاخته‌ای* اندازه‌گیری کند. انرژی فراصوتی بازتاب‌شده به سوی پرسشگر به گونه‌ای تعدیل می‌شود که فعالیت ثبت‌شده را منتقل کند. در یکی از مدل‌های پیشنهادی گردوغبار عصبی، مدل ترانزیستوری روشی برای جداسازی میان پتانسیل میدانی محلی و «خیزش» های پتانسیل عمل فراهم می‌کند که امکان دسترسی به داده‌های متنوع و گسترده‌تری را از طریق ثبت‌ها به وجود می‌آورد.

## کاربردهای بالینی و سلامت
### پروتزهای عصبی
برخی نمونه‌های پروتز عصبی شامل کاشت حلزون برای کمک به بازگرداندن شنوایی، ریزتراشه‌های شبکیهٔ سیلیکونی مصنوعی که در درمان دژنراسیون شبکیه ناشی از التهاب رنگدانه‌ای شبکیه مؤثر بوده‌اند، و حتی پروتزهای حرکتی که می‌توانند امکان حرکت را در افراد مبتلا به چهاراندام‌فلجی یا اختلالاتی مانند اسکلروز جانبی آمیوتروفیک فراهم کنند، هستند. استفاده از گردوغبار عصبی همراه با پروتزهای حرکتی می‌تواند امکان کنترل دقیق‌تری بر حرکت فراهم آورد.

### تحریک الکتریکی
در حالی‌که روش‌های تحریک الکتریکی عصب‌ها و بافت مغزی از مدتی پیش به‌کار گرفته می‌شوند، اندازهٔ کوچک و ماهیت بی‌سیم گردوغبار عصبی موجب پیشرفت در کاربردهای بالینی این روش می‌شود. اهمیت این موضوع در آن است که روش‌های سنتی تحریک عصبی و برخی گونه‌های تحریک عصبی مانند تحریک نخاعی از الکترودهای کاشته‌شده‌ای استفاده می‌کنند که به سیم متصل هستند و این موضوع خطر عفونت و ایجاد بافت زخم را افزایش می‌دهد. در گردوغبار عصبی این خطرها وجود ندارد، اما چالش رساندن مقدار کافی جریان الکتریکی به گرهٔ حسگر همچنان مطرح است.

#### وقفهٔ تنفسی در خواب
دستگاه‌های تحریک الکتریکی عصبی کارایی خود را در درمان وقفهٔ انسدادی تنفسی در خواب (OSA) نشان داده‌اند. پژوهشگرانی که از یک دستگاه تحریک الکتریکی کاشته‌شده در بیماران مبتلا به OSA شدید استفاده کردند، پس از ۱۲ ماه درمان با این وسیله بهبودی قابل‌توجهی مشاهده کردند. همچنین تحریک عصب فرنیک در کاهش وقفهٔ مرکزی تنفسی در خواب مؤثر بوده است.

### صرع
درمان مبتنی بر تحریک الکتریکی در بیماران مبتلا به صرع از مدت‌ها پیش به‌عنوان یک روش شناخته‌شده به‌کار گرفته شده و ریشهٔ آن دست‌کم به دههٔ ۱۹۵۰ بازمی‌گردد. یکی از اهداف اصلی انجمن صرع آمریکا توسعهٔ مداوم تحریک الکتریکی خودکار مغز (که به نام تحریک مشروط یا حلقه‌بسته نیز شناخته می‌شود) است. این روش با توجه به الگوهای مغزی که نشان می‌دهند حملهٔ صرع در شُرُف وقوع است، تحریک الکتریکی بازدارنده ارائه می‌دهد و بدین ترتیب درمان بسیار بهتری نسبت به تحریک‌هایی فراهم می‌آورد که بر پایهٔ پیش‌بینی تقریبی زمان وقوع حمله انجام می‌شوند. هرچند تحریک عصب واگ اغلب هدفی برای درمان تشنج صرعی است، پژوهش‌هایی دربارهٔ کارایی تحریک در هیپوکامپ، تالاموس و هستهٔ ساب‌تالامیک نیز انجام شده است. همچنین تحریک قشری حلقه‌بسته به‌عنوان یک روش درمانی برای بیماری پارکینسون مورد بررسی قرار گرفته است.

#### کنترل مثانه در افراد دچار آسیب نخاعی
دستگاه‌های تحریک الکتریکی به بیماران دچار آسیب نخاعی امکان داده‌اند که توانایی بهتری در ادرار و دفع پیدا کنند. این کار با استفاده از کاشت‌های پیوندشده با امواج رادیویی برای تحریک بخش ریشهٔ قدامی خاجی نخاع انجام می‌شود.

## پانویس

## منابع

رده:پروتزهای عصبی
رده:تعامل انسان و رایانه
رده:رابط مغز و رایانه
رده:مهندسی مغز و اعصاب