چگونه می‌توان ماهیچه‌ها را با نور کنترل کرد؟

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از ام آی تی نیوز، برای افراد مبتلا به فلج یا قطع عضو، سیستم‌های عصبی مصنوعی که انقباض عضلانی را به طور مصنوعی با جریان الکتریکی تحریک می‌کنند، می‌توانند به آنها در بازیابی عملکرد اندام کمک کنند. با این حال، با وجود سال‌ها تحقیق، این نوع پروتز به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، زیرا منجر به خستگی سریع عضلانی و کنترل ضعیف می‌شود.

محققان دانشگاه ماساچوست رویکرد جدیدی را توسعه داده‌اند که امیدوارند روزی بتواند کنترل بهتر عضلات را با خستگی کمتر ارائه دهد. آنها به جای استفاده از الکتریسیته برای تحریک عضلات، از نور استفاده کردند. در مطالعه‌ای روی موش‌ها، محققان نشان دادند که این تکنیک اپتوژنتیک کنترل دقیق‌تری عضلانی را همراه با کاهش چشمگیر خستگی ارائه می‌دهد.

هیو هِر، استاد هنر و علوم رسانه و یکی از اعضای وابسته موسسه تحقیقات مغز مک گاورن ام‌آی‌تی می‌گوید: به نظر می‌رسد که با استفاده از نور و از طریق اپتوژنتیک، می‌توان ماهیچه‌ها را به طور طبیعی تری کنترل کرد. از نظر کاربرد بالینی، این نوع رابط می‌تواند کاربرد بسیار گسترده‌ای داشته باشد.

اپتوژنتیک روشی مبتنی بر مهندسی ژنتیکی سلول‌ها برای بیان پروتئین‌های حساس به نور است که به محققان اجازه می‌دهد فعالیت آن سلول‌ها را با قرار دادن در معرض نور کنترل کنند. این رویکرد در حال حاضر در انسان امکان پذیر نیست، اما هیو هِر، دانشجوی فارغ التحصیل ام آی تی وگیلرمو هررا-آرکوس، و همکارانشان در مرکز بیونیک اکنون در حال کار بر روی راه‌هایی برای رساندن پروتئین‌های حساس به نور به طور ایمن و موثر به بافت انسان هستند.

کنترل اپتوژنتیک

برای چندین دهه، محققان استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی (FES) را برای کنترل ماهیچه‌های بدن مورد بررسی قرار داده‌اند. این روش شامل کاشت الکترود‌هایی است که فیبر‌های عصبی را تحریک کرده و باعث انقباض عضله می‌شود. با این حال، این تحریک تمایل دارد که کل عضله را به یکباره فعال کند، که این روشی نیست که بدن انسان به طور طبیعی انقباض عضلانی را کنترل می‌کند.

هِر می‌گوید: انسان‌ها این کنترل باورنکردنی وفاداری را دارند که با به‌کارگیری طبیعی ماهیچه‌ها به دست می‌آید، جایی که واحد‌های حرکتی کوچک، سپس واحد‌های حرکتی با اندازه متوسط، سپس واحد‌های حرکتی بزرگ به‌کار گرفته می‌شوند، به ترتیبی که قدرت سیگنال افزایش می‌یابد.

با تحریک الکتریکی عملکردی، وقتی به طور مصنوعی عضله را تحت تاثیرالکتریسیته قرار می‌دهید، ابتدا بزرگترین واحد‌ها جذب می‌شوند. بنابراین، با افزایش سیگنال، در ابتدا نیرویی دریافت نمی‌کنید و سپس ناگهان نیروی زیادی دریافت می‌کنید. این نیروی زیاد نه تنها دستیابی به کنترل عضلانی خوب را دشوارتر می‌کند، بلکه عضله را به سرعت در عرض ۵ یا ۱۰ دقیقه فرسوده می‌کند.

محققان می‌خواستند ببیند که آیا می‌توانند کل این رابط را با چیزی متفاوت جایگزین کنند. آنها تصمیم گرفتند به جای الکترود، انقباض عضلانی را با استفاده از ماشین‌های مولکولی نوری از طریق اپتوژنتیک کنترل کنند.

محققان با افزایش تدریجی میزان تحریک نوری، نیروی عضلانی را اندازه گیری کردند و دریافتند که برخلاف تحریک الکتریکی عملکردی، کنترل اپتوژنتیک باعث افزایش پیوستگی در انقباض عضله می‌شود.

مقاومت در برابر خستگی

با استفاده از داده‌های آن آزمایش‌ها، محققان یک مدل ریاضی از کنترل عضله اپتوژنتیک ایجاد کردند. این مدل میزان نور وارد شده به سیستم را با خروجی عضله (میزان نیروی تولید شده) مرتبط می‌کند.

این مدل ریاضی به محققان اجازه داد تا یک کنترل کننده حلقه بسته طراحی کنند. در این نوع سیستم، کنترل کننده سیگنال تحریکی را ارسال می‌کند و پس از انقباض عضله، یک حسگر می‌تواند میزان نیرویی که عضله اعمال می‌کند را تشخیص دهد. این اطلاعات به کنترل کننده بازگردانده می‌شود، تا با محاسبات خود تشخیص دهد که تحریک نور باید چقد باشد تا به نیروی مورد نظر برسد.

با استفاده از این نوع کنترل، محققان دریافتند که ماهیچه‌ها را می‌توان بیش از یک ساعت قبل از خستگی تحریک کرد، در حالی که ماهیچه‌ها تنها پس از ۱۵ دقیقه با استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی خسته شدند.

یکی از موانعی که محققان اکنون بر روی آن کار می‌کنند این است که چگونه پروتئین‌های حساس به نور را به طور ایمن به بافت انسان برسانند. چندین سال پیش، آزمایشگاه هر گزارش داد که در موش‌ها، این پروتئین‌ها می‌توانند پاسخ ایمنی را تحریک کنند که پروتئین‌ها را غیرفعال می‌کند و همچنین می‌تواند منجر به آتروفی عضلانی و مرگ سلولی شود.

به عنوان گام‌های اضافی برای دستیابی به بیماران انسانی، آزمایشگاه هِر در حال کار بر روی حسگر‌های جدیدی است که می‌تواند برای اندازه گیری نیروی و طول ماهیچه‌ها و همچنین روش‌های جدیدی برای کاشت منبع نور استفاده شود. در صورت موفقیت، محققان امیدوارند که استراتژی آنها بتواند برای افرادی که سکته مغزی، قطع اندام و آسیب نخاعی را تجربه کرده‌اند و همچنین افرادی که توانایی کنترل اندام‌های خود را مختل کرده‌اند، مفید باشد.

هِر می‌گوید: این می‌تواند منجر به یک استراتژی کم تهاجمی شود که بازی را از نظر مراقبت‌های بالینی برای افرادی که از آسیب شناسی اندام رنج می‌برند تغییر می‌دهد.