هذه المقالة جزء من “5G وقواعد الاتصال“، سلسلة تستكشف بعضًا من أهم الابتكارات التقنية في عصرنا.
في مارس 2020، أدرك الدكتور لي هوشبيرج وزملاؤه حقيقتين مثيرتين للقلق: كان الوباء ينتشر، وسوف يتم إغلاق الأبحاث السريرية بسرعة.
هوشبيرج، أستاذ في جامعة براون، هو مدير التجارب السريرية لـBrainGate. يقوم هذا البرنامج البحثي الموسع والمتعدد المؤسسات بتطوير واختبار تقنيات واجهة الدماغ والحاسوب المصممة لمساعدة الأشخاص الذين فقدوا القدرة على التحدث أو الحركة – مثل ترجمة نشاط الدماغ لمرضى التصلب الجانبي الضموري إلى كلمات على شاشة الكمبيوتر ومساعدة الأشخاص المصابين بالشلل على الحركة الأسلحة الآلية مع عقولهم.
قبل كوفيد-19، لم يتم اختبار النسخة اللاسلكية من النظام إلا بوجود باحث في الغرفة. ولم يتم تقييم إمكاناته الكاملة – وقدرته على العمل بسلاسة دون وجود أخصائي طبي على أهبة الاستعداد.
عندما توقفت الأبحاث السريرية الشخصية بسبب الوباء، قرر الفريق تعليم مقدمي الرعاية للمشاركين كيفية إنشاء الاتصال اللاسلكي والمضي قدمًا في المشروع.
وقال هوشبيرج إن تلك اللحظة كانت بمثابة القدر.
وقال: “مع بدء إغلاق العالم، أدركنا أنه إذا تصرفنا بسرعة، فستتاح لنا فرصة لمواصلة أبحاثنا”. “لقد سمحت التكنولوجيا اللاسلكية للمشاركين بالبقاء منخرطين في التجربة وسمحت لنا بالتسجيل طوال الليل لأول مرة.”
على الرغم من أن شركة Neuralink التابعة لشركة Elon Musk قد سلطت الضوء على عمليات زرع الدماغ اللاسلكية – في أوائل عام 2024، أعلن Musk أن أول عملية زرع لشركته كانت ناجحة – فقد امتد البحث والتطوير لهذه الأجهزة لعقود من الزمن. تجري التجارب السريرية لـBrainGate منذ 20 عامًا، وتمثل الغرسة اللاسلكية التي ابتكرها الاتحاد المرة الأولى التي يستخدم فيها شخص مزروعة بقدرات عرض النطاق الترددي العالية.
تفتح التقنيات اللاسلكية أبوابًا في علم الأعصاب، مما يتيح إمكانات جديدة في مجالات الاتصال والعلاج والبحث. ونظرًا لأن الغرسات اللاسلكية يمكنها مراقبة الدماغ لفترات طويلة من الزمن، فإنها توفر فرصة فريدة لفحص الديناميكيات العصبية، مما يزيد من فهمنا للعقل البشري. يفيد تصميمها الخالي من الأسلاك أيضًا الأشخاص الذين يأملون في استخدام هذه الأجهزة خارج نطاق البحث وتحسين نوعية حياتهم.
تشغيل نموذج جديد للاتصال
يعود الفضل في أول عملية زرع دماغ إلى طبيب الأعصاب فيل كينيدي، الذي تم تثبيت الجهاز جراحيًا على دماغه. اليوم، أصبحت الغرسات السلكية أقل تدخلاً وتستخدم على نطاق واسع. يمكن أن تساعد في منع النوبات، وإدارة أعراض الوسواس القهري، وعلاج اضطرابات الحركة.
يعمل الباحثون على تحسين أجهزة زرع الدماغ باستخدام التكنولوجيا اللاسلكية. يمكن لهذه الأجهزة نقل المعلومات بدون كابلات عبر مجالات الترددات الراديوية والموجات الصوتية والضوء.
خلال العقد الأول من تجارب BrainGate، تطلب النظام – الأقطاب الكهربائية المزروعة في الدماغ والتي تسجل النشاط العصبي وأجهزة الكمبيوتر التي تقوم بفك تشفير إشارات الدماغ في الوقت نفسه – توصيل كابل بين الغرسة وأجهزة الكمبيوتر. وهذا يعني أن المشاركين كانوا مقيدين جسديًا بالمعدات. وقال هوشبيرج: “كان من الواضح جدًا في وقت مبكر من التجارب السريرية أننا جميعًا نتطلع إلى يوم يكون فيه نظام لاسلكي”.
جاء ذلك اليوم في أواخر عام 2010 عندما بدأ فريق BrainGate في استخدام جهاز إرسال عصبي لاسلكي صغير طوره باحثون من جامعة براون. عند وضعه على رأس المستخدم، يتصل جهاز الإرسال بالزرعة الموجودة في القشرة الحركية للدماغ من خلال منفذ موجود في الجمجمة. ثم يرسل المرسل المعلومات إلى نظام الكمبيوتر لتحليلها.
قال جوردان ماكول، عالم أعصاب وأستاذ مشارك في كلية الطب بجامعة واشنطن في كلية سانت لويس، لموقع BI: “إن وضع شيء ما في دماغ شخص ما هو هدف مرتفع للغاية”. وهو يعمل على إنشاء أجهزة لاسلكية للتواصل مع الدماغ تكون صغيرة ومرنة ومتوافقة حيويًا.
وفي عام 2021، نشر ماكول وزملاؤه بحثًا في مجلة Nature Biomedical Engineering يوضح كيف يمكنهم تغيير النشاط العصبي عن بعد في أدمغة الفئران باستخدام زرع دماغي لاسلكي. وبمساعدة تقنية إنترنت الأشياء، تضمنت عملية الزرع شريحة بلوتوث صغيرة وجهاز ليزر مدعومًا بـ Raspberry Pi، وهو جهاز كمبيوتر صغير أحادي اللوحة.
وقال ماكول إن استخدام التكنولوجيا المشتراة من المتجر كان مقصودًا. وأضاف أن الهدف هو صنع أجهزة تكون في متناول المجتمع العلمي.
ومع ذلك، لا تزال أجهزة الدماغ اللاسلكية قيد التقدم. تتضمن بعض العقبات التوافق طويل الأمد مع الأدمغة، وموثوقية الاتصالات اللاسلكية، وموازنة جودة نقل البيانات مع استهلاك الطاقة. لكن ماكول قال إننا في لحظة يوجد فيها مجال كبير لظهور تقنيات جديدة.
وقال: “لم ننته بالتأكيد، لكنني لم أعد أعتقد أننا في بداية هذا”.
استكشاف الدماغ خالية من الحبل
بالإضافة إلى كونها تقنية مساعدة، تعد الغرسات اللاسلكية أيضًا أدوات بحثية قيمة.
وقال فيليب جوتروف، الأستاذ المشارك في الهندسة الطبية الحيوية بجامعة أريزونا، لموقع BI إن المعلومات التي تم الحصول عليها من خلال الأجهزة اللاسلكية يمكن أن تساعد الباحثين على فهم السلوك البشري بشكل أفضل وتطوير علاجات محسنة لحالات مثل الإدمان. يقوم جوتروف بتطوير أجهزة تهدف إلى تحسين كيفية تشخيص الحالات الطبية وعلاجها وزيادة فهمنا للدماغ.
وقال جوتروف: “إن الدماغ معقد بشكل لا يصدق، ونحن نحاول منذ فترة طويلة فك رموز كيفية عمل الدماغ وعمله”.
لقد ركز جزء كبير من هذا المجال على فك رموز الإشارات الكهربائية التي ينتجها الدماغ باستمرار. ومع ذلك، يحتوي الدماغ أيضًا على مواد كيميائية مثل الدوبامين التي تؤثر على مزاجنا وصحتنا. إن كيفية تأثير هذه العوامل على الدماغ غير مفهومة بشكل جيد، ويقوم جوتروف وفريقه بالتحقيق في هذا الجانب من المعادلة.
لقد طوروا غرسة لاسلكية خالية من البطاريات يمكنها مراقبة إشارات الدوبامين في الدماغ. يستخدم الجهاز تقنية تسمى التحفيز البصري الوراثي لتنشيط أو تثبيط بعض الخلايا العصبية في الفئران وتسجيل نشاط الدوبامين.
الصورة مجاملة من BrainGate
عرض أقل
الصورة مجاملة من BrainGate
عرض أقل
وقال جوتروف: “لقد أنشأنا نظامًا يسمح لنا بالنظر إلى الدماغ أثناء عمله بينما يتصرف الأشخاص الحيوانيون بشكل طبيعي”. “هذا يشكل أرضية لنوع جديد من التكنولوجيا التي قد تؤدي إلى تطبيق الإنسان في وقت لاحق.”
يتم تشغيل الغرسة عن بعد وتنقل البيانات لاسلكيًا باستخدام موجات الضوء تحت الحمراء. وفي تجارب أخرى، استخدم جوتروف وزملاؤه أيضًا الاتصال قريب المدى، وهي تقنية لاسلكية شائعة الاستخدام في أنظمة الدفع غير التلامسية أو الدخول بدون مفتاح. مع الاتصال قريب المدى، يتم نقل البيانات عبر مجالات الراديو الكهرومغناطيسية.
إن الفهم الأفضل للتركيب الكيميائي العصبي في الدماغ يمكن أن يؤدي إلى الكشف المبكر عن الأمراض التنكسية العصبية مثل مرض باركنسون، فضلا عن العلاجات الشخصية للاضطرابات العقلية والسلوكية.
وقال جوتروف: “في الوقت الحالي، لدينا فهم معقول لبقية الجسم، لكن الدماغ لا يزال لديه أسرار يجب حلها”. “تسمح لنا الأدوات الجديدة برؤية ما يحدث في الدماغ في الوقت الفعلي، مما قد يسمح لنا بفك بعض هذه الألغاز.”
إمكانات التكنولوجيا اللاسلكية
على الرغم من أن عمليات زرع الدماغ ليست جديدة، إلا أن ماكول قال إنه منذ حوالي عقد من الزمن، كان هناك “تحول هائل فيما كان ممكنًا”. ساعد التقدم في علوم المواد والهندسة الكهربائية، إلى جانب الدعم المالي لمبادرة BRAIN للمعاهد الوطنية للصحة، والتي انطلقت في عام 2013، في تسريع التكنولوجيا بشكل كبير، مما أدى إلى الجهود الحالية لتحسين عمليات زرع الدماغ اللاسلكية.
وقال هوشبيرج إن المؤسسات الأكاديمية والشركات الخاصة تتسابق لتطوير إصدارات مختلفة من الأجهزة اللاسلكية.
ولكن عندما يتعلق الأمر بالغرسات المصممة للأغراض السريرية – مثل مساعدة المريض على التعبير عن أفكاره – قال هوشبيرج إنه لا تزال هناك أسئلة حول الحصول على التكنولوجيا خارج إطار البحث. وهو جزء من المجتمع التعاوني لتقنية BCI المزروعة، وهو مشروع تم إطلاقه حديثًا حيث يمكن لأصحاب المصلحة في مجال التكنولوجيا العصبية مناقشة مثل هذه التحديات. الأمل هو إرساء الأساس لمستقبل أكثر سهولة.
إن Hochberg متحمس لقدرة BrainGate على فك تشفير محاولات الكلام على الفور ومزامنتها مع الروبوتات الناعمة القابلة للارتداء، مما يسمح بحركات أكثر راحة وبديهية.
وقال هوشبيرج: “هناك وعد هائل لهذه التكنولوجيا القوية”.