Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator

يعتبر الدماغ البشري شبكة واسعة من الإشارات الكهربائية، وعلى مدى عقود، سعى العلماء لإيجحاد طرق لتحفيز هذه الإشارات بلطف من خارج الجمجمة لفهم كيفية عمل العقل أو لعلاج حالات مثل الاكتئاب. وتعد "التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة" إحدى الطرق القوية للقيام بذلك؛ فهي تعمل عن طريق إنشاء مجال مغناطيسي قصير ومكثف يمر عبر الجمجمة دون لمسها. وهذا المجال المغناطيسي بدوره يحفز تياراً كهربائياً صغيراً في أنسجة الدماغ تحته، مما يمكنه من تنبيه أو تهدئة مجموعات معينة من الخلايا العصبية. وبينما أصبحت هذه التقنية أداة قياسية في الأبحاث وعلاجاً معتمداً لبعض الحالات الطبية، فإن الآلات التي تولد هذه النبضات المغناطيسية عادة ما تكون ضخمة ومعقدة وباهظة الثمن بشكل يمنع الوصول إليها، حيث تتكلف غالباً عشرات الآلاف من الدولارات. وهذا السعر المرتفع يبقي هذه التكنولوجيا بعيدة عن متناول العديد من المختبرات التعليمية الجامعية، والمجموعات البحثية الصغيرة، والعلماء المستقلين الذين قد يرغبون في تجربة طرق جديدة لتحفيز الدماغ.

لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة مكغيل (McGill University) هدفاً لتغيير هذا الواقع من خلال بناء نسخة عاملة من هذه الآلة بجزء بسيط من التكلفة المعتادة. فقد صنعوا جهازاً يمكنه تقديم نفس نوع النبضة المغناطيسية المستخدمة في الدراسات المهنية، لكنهم بنوه باستخدام قطع شائعة ومتوفرة في الأسواق يمكن لأي شخص يمتلك مهارات أساسية في الإلكترونيات شراؤها. وقد تم بناء الجهاز بأكمله، بما في ذلك الملف المتخصص الذي يوضع مقابل الرأس، بتكلفة تقارب 700 دولار تقريباً. ولم يكتف الباحثون بتجميع الأجزاء فحسب، بل أخضعوا الجهاز لاختبارات صارمة لضمان قدرته على توليد مجالات مغناطيسية قوية بما يكفي لتنشيط الخلايا البشرية المحتملة. ويبرهن عملهم على أن التحفيز المغناطيكي عالي القدرة لا يتطلب ميزانية مختبر بمليارات الدولارات، طالما يمتلك البناؤون المعرفة التقنية الصحيحة والاحترام الكامل للمخاطر الأمنية الكبيرة.

إن جوهر هذا الجهاز الجديد هو مفهوم بسيط ولكنه قوي: تخزين كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية وإطلاقها دفعة واحدة عبر ملف من الأسلاك. استخدم الباحثون مجموعة من المكثفات، وهي مكونات تحتفظ بالشحنة الكهربائية كما يحتفظ البطارية بالماء، لتخزين الطاقة. وقاموا بشحن هذه المكثفات بجهد عالٍ جداً، يصل إلى حوالي 1,460 فولت، باستخدام دائرة شحن مبنية من مصدر طاقة قياسي بقدرة 24 فولت ومحول متخصص. وبمجرد امتلاء المكثفات، قام الفريق بتفعيل مفتاح يسمى "الثايرستور" (thyristor) لإطلاق الطاقة المخزنة في جزء من الثانية. تدفقت هذه الطفرة المفاجئة من الكهرباء عبر ملف ملفوف خصيصاً على شكل رقم ثمانية، مما أدى إلى تغيير سريع في المجال المغناطيسي. وهذا الشكل المحدد وسرعة النبضة أمران حاسمان لأنهما يحددان كيفية تفاعل المجال المغناطيسي مع الدماغ. وقد استغرقت النبضة الناتلة حوالي 90 ميكروثانية، وهي مدة حسبها الباحثون لتكون فعالة في تحفيز الخلايا العصبية.

كانت السلامة هي الشاغل الرئيسي طوال عملية التصميم، نظراً لأن الجهاز يخزن طاقة كافية لتكون مميتة إذا تم التعامل معها بشكل خاطئ. وقد بنى الفريق طبقات متعددة من الحماية لمنع الصدمات العرضية أو التفريغات غير المنضبطة. الجهاز موضوع داخل صندوق بلاستيكي شفاف حتى يتمكن المشغل من رؤية ما بداخله أثناء التشغيل، كما تم فصل المكونات ذات الجهد العالي عن إلكترونيات التحكم بواسطة حواجز فيزيائية وكهربائية. ولضمان عدم تشغيل الآلة إلا إذا كانت آمنة، قاموا بتثبيت أقفال أمان (interlocks) تقطع الطاقة إذا فُتح الصندوق أو إذا لم يكن هناك شخص ثانٍ موجود للإمساك بمفتاح الأمان. كما تضمنوا وجود عصا طويلة معزولة تنتهي بخطاف معدني، مما يسمح للمشغل بتفريغ الطاقة المتبقية من المكثفات يدوياً من مسافة آمنة دون الحاجة لفتح الصندوق أبداً. صُممت هذه التدابير للتخفيف من المخاطر المرتبطة بالعمل مع مثل هذه الجهود والتيارات العالية، والتي يمكن أن تصل إلى أكثر من 5,000 أمبير خلال اللحظة الوجيزة التي تُطلق فيها النبضة.

ولإثبات أن آلتهم المنزلية تعمل بالفعل، كان على الباحثين قياس المجال المغناطيسي الذي أنتجته دون الاعتماد على مستشعرات تجارية باهظة الثمن. فقد صنعوا ملف استشعار صغيراً وبسيطاً وحركوه في مواضع مختلفة تحت ملف التحفيز الرئيسي لرسم خريطة للمجال المغهناطيسي. ومن خلال تحليل كيفية تغير الجهد في المستشعر الخاص بهم، حسبوا سرعة تغير المجال المغناطيسي، وهو عامل رئيسي في تحديد مدى قوة التحفيز في الدماغ. وأظهرت قياساتهم أنه عند أقصى قدرة، أنتج الجهاز معدل تغير في المجال المغناطيسي يبلغ حوالي 111 أمبير لكل ميكروثانية. وعندما أدخلوا هذه البيانات في محاكاة حاسوبية لرأس بشري، أشارت النتائج إلى أن الجهاز يمكنه توليد مجالات كهربائية في الدماغ قوية بما يكفي لتجاوز المتوسط المطلوب لتنشيط الخلايا العصبية الحركية. وتحديداً، أشارت المحاكاة إلى أن الجهاز يمكنه إنتاج مجالات بقوة 159 فولت لكل متر في الجزء الخلفي من الرأس و196 فولت لكل متر في الجانب، وكلاهما أعلى بكثير من المستويات المطلل عادةً لإحداث استجابة في الدماغ.

قارن الباحثون أداء جهازهم المنزلي ببيانات من آلة تجارية لضمان دقة طرق القياس الخاصة بهم. ووجدوا أن نهجهم منخفض التكلفة لقياس المجال المغناطيسي كان موثوقاً للغاية، حيث تطابقت النتائج مع القيم التي سجلتها الآلة التجارية ضمن هامش خطأ صغير. هذا التحقق يعطي الثقة في أن جهازهم المنزوي يعمل كما هو مخطط له. ومع ذلك، يشدد المؤلفون على أن هذا النموذج هو نموذج أولي بحثي وليس جهازاً طبياً معتمداً للاستخدام على البشر. وهم يؤكدون أنه بينما يمكن للآلة توليد الطاقة اللازمة، إلا أنها لم تُختبر على البشر أو الحيوانات، وتفتقر إلى التحقق السريري المطلوب للعلاج. الجهاز مخصص للاستخدام من قبل الباحثين المدربين الذين يفهمون إلكترونيات الجهد العالي ويمكنهم اتباع بروتوكولات السلامة الصارمة.

يمثل هذا المشروع خطوة مهمة نحو دمقرطة الوصول إلى أدوات علوم الأعصاب المتقدمة. فمن خلال إظهار أن جهاز تحفيز مغناطيسي وظيفي عالي القدرة يمكن بناؤه بتكلفة بضع مئات من الدولارات باستخدام مكونات متاحة، فتح الفريق الباب أمام المزيد من العلماء لتجربة تقنيات تحفيز الدماغ. إن العمل يثبت أن حاجز الدخول في هذا المجال ليس مجرد تعقيد الفيزياء، بل هو إلى حد كبير تكلفة المعدات. وبينما لا يزال الجهاز غير جاهز للاستخدام السريري، فإنه يوفر منصة منخفضة التكلفة وقوية للباحثين لدراسة كيفية تأثير أشكال النبضات وتصاميم الملفات المختلفة على الدماغ، مما قد يؤدي إلى اكتشافات جديدة في كيفية فهمنا للحالات العصبية وعلاجها. إن نجاح هذا البناء يشير إلى أنه مع الهندسة الدقيقة والالتزام بالسلامة، يمكن جلب أدوات علوم الأعصاب الحديثة لتكون في متناول مجتمع أوسع بكثير من العلماء.