برای افراد مبتلا به فلج یا قطع عضو، سیستم های عصبی مصنوعی که انقباض عضلانی را به طور مصنوعی با جریان الکتریکی تحریک می کنند، می توانند به آنها در بازیابی عملکرد اندام کمک کنند. با این حال، با وجود سال ها تحقیق، این نوع پروتز به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرد زیرا منجر به خستگی سریع عضلانی و کنترل ضعیف می شود.
محققان MIT رویکرد جدیدی ایجاد کرده‌اند که امیدوارند روزی کنترل بهتر عضلات را با خستگی کمتر ارائه دهد. به جای استفاده از الکتریسیته برای تحریک عضلات، از نور استفاده کردند. در یک مطالعه روی موش، محققان نشان دادند که این تکنیک اپتوژنتیک کنترل دقیق‌تری عضله را همراه با کاهش چشمگیر خستگی ارائه می‌دهد.
“به نظر می رسد که با استفاده از نور، از طریق اپتوژنتیک، می توان ماهیچه ها را به طور طبیعی تری کنترل کرد. از منظر کاربرد بالینی، این نوع رابط می‌تواند کاربرد بسیار گسترده‌ای داشته باشد.” تحقیقات مغز مک گاورن.
اپتوژنتیک روشی مبتنی بر مهندسی ژنتیک سلول ها برای بیان پروتئین های حساس به نور است که به محققان این امکان را می دهد تا فعالیت این سلول ها را با قرار گرفتن در معرض نور کنترل کنند. این رویکرد در حال حاضر در انسان امکان پذیر نیست، اما آقای، دانشجوی فارغ التحصیل MIT، Guillermo Herrera-Arcos، و همکارانشان در مرکز K. Lisa Yang برای Bionics اکنون در حال کار بر روی راه هایی برای رساندن ایمن و موثر پروتئین های حساس به نور به بافت انسان هستند.
Herr نویسنده اصلی این مطالعه است که امروز ظاهر می شود که در رباتیک علمی. Herrera-Arcos نویسنده اصلی مقاله است.
کنترل اپتوژنتیک
برای دهه‌ها، محققان استفاده از تحریک الکتریکی عملکردی (FES) را برای کنترل عضلات بدن بررسی کرده‌اند. این روش شامل کاشت الکترودهایی است که فیبرهای عصبی را تحریک کرده و باعث انقباض عضله می شود. با این حال، این تحریک تمایل دارد که کل عضله را به یکباره فعال کند، که بدن انسان به طور طبیعی انقباض عضلانی را کنترل نمی کند.
هر می‌گوید: «انسان‌ها این دقت باورنکردنی کنترل را دارند که از طریق به‌کارگیری ماهیچه‌های طبیعی به دست می‌آید، جایی که شما واحدهای حرکتی کوچک، سپس متوسط و سپس واحدهای حرکتی بزرگ را به‌منظور افزایش قدرت سیگنال به‌کار می‌گیرید». با FES، وقتی به طور مصنوعی عضله را با الکتریسیته منفجر می‌کنید، ابتدا بزرگترین واحدها جذب می‌شوند. بنابراین هنگامی که سیگنال را تقویت می کنید، ابتدا برق دریافت نمی کنید و سپس ناگهان قدرت زیادی دریافت می کنید.
این نیروی بزرگ نه تنها دستیابی به کنترل خوب ماهیچه ها را دشوار می کند، بلکه عضله را به سرعت در عرض پنج یا 10 دقیقه فرسوده می کند.
تیم MIT می خواست ببیند که آیا می توانند کل این رابط را با چیزی متفاوت جایگزین کنند. آنها تصمیم گرفتند به جای الکترودها، انقباض عضلانی را با استفاده از ماشین های مولکولی نوری از طریق اپتوژنتیک کنترل کنند.
محققان با استفاده از موش ها به عنوان یک مدل حیوانی، میزان نیروی عضلانی را که می توانستند با استفاده از روش سنتی FES ایجاد کنند، با نیروهای ایجاد شده توسط روش اپتوژنتیک مقایسه کردند. برای مطالعات اپتوژنتیک، آنها از موش هایی استفاده کردند که قبلاً از نظر ژنتیکی اصلاح شده بودند تا پروتئین حساس به نور به نام کانالرودوپسین-2 را بیان کنند. آنها یک منبع نور کوچک را در نزدیکی عصب تیبیال کاشتند که عضلات ساق پا را کنترل می کند.
محققان قدرت عضلانی را در حالی که به تدریج میزان تحریک نوری را افزایش دادند اندازه‌گیری کردند و دریافتند که برخلاف تحریک FES، کنترل اپتوژنتیک منجر به افزایش تدریجی و پیوسته در انقباض عضلانی می‌شود.
همانطور که ما تحریک نوری را که به عصب می‌رسانیم تغییر می‌دهیم، می‌توانیم به طور متناسب، به شکلی تقریباً خطی، قدرت عضله را کنترل کنیم. این شبیه به نحوه کنترل سیگنال های مغز ما بر عضلات است. به همین دلیل، کنترل عضله در مقایسه با تحریک الکتریکی آسان‌تر می‌شود.»
مقاومت در برابر خستگی
با استفاده از داده های این آزمایش ها، محققان یک مدل ریاضی از کنترل عضله اپتوژنتیک ایجاد کردند. این مدل میزان نور ورودی به سیستم را با خروجی عضله (چه مقدار نیرو ایجاد می شود) مرتبط می کند.
این مدل ریاضی به محققان اجازه داد تا یک کنترل کننده حلقه بسته طراحی کنند. در این نوع سیستم، کنترل کننده سیگنال محرکی را ارسال می کند و پس از انقباض عضله، یک حسگر می تواند میزان نیرویی که عضله اعمال می کند را تشخیص دهد. این اطلاعات به کنترل کننده بازگردانده می شود، که محاسبه می کند که آیا و چقدر تحریک نور باید تنظیم شود تا به قدرت مورد نظر برسد.
با استفاده از این نوع کنترل، محققان دریافتند که ماهیچه ها را می توان بیش از یک ساعت قبل از خستگی تحریک کرد، در حالی که ماهیچه ها تنها پس از 15 دقیقه با استفاده از تحریک FES خسته می شوند.
یکی از موانعی که محققان اکنون بر روی آن کار می کنند این است که چگونه پروتئین های حساس به نور را به طور ایمن به بافت انسان برسانند. چند سال پیش، آزمایشگاه Herr 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.
هر می گوید: «هدف کلیدی مرکز K. Lisa Yang برای Bionics حل این مشکل است. تلاش‌های متعددی برای طراحی پروتئین‌های حساس به نور و استراتژی‌هایی برای ارائه آنها بدون ایجاد پاسخ ایمنی در حال انجام است.
به عنوان گام های اضافی برای دستیابی به بیماران انسانی، آزمایشگاه Herr در حال کار بر روی حسگرهای جدیدی است که می تواند برای اندازه گیری قدرت و طول ماهیچه ها و همچنین روش های جدیدی برای کاشت منبع نور مورد استفاده قرار گیرد. در صورت موفقیت، محققان امیدوارند که استراتژی آنها بتواند برای افرادی که از سکته مغزی، قطع عضو و آسیب نخاعی جان سالم به در برده اند و همچنین افرادی که توانایی کنترل اندام خود را مختل کرده اند، سودمند باشد.
Herr می‌گوید: «این می‌تواند منجر به یک استراتژی کم تهاجمی شود که می‌تواند از نظر مراقبت‌های بالینی برای افرادی که از آسیب‌شناسی اندام رنج می‌برند، تغییر کند.
این تحقیق توسط مرکز K. Lisa Yang برای بیونیک در MIT تامین مالی شد.
