Digital-twin optimized transcranial temporal interference electrical stimulation alters rat brain activity patterns and metabolism including deep structures

في أعماق الدماغ، مختبئة تحت طبقات من العظام والأنسجة، تكمن مجموعات صغيرة من الخلايا التي تتحكم في كل شيء، بدءاً من الحركة وصولاً إلى الحالة المزاجية. وعندما تتعطل هذه الهياكل العميقة، يمكن أن تسبب اضطرابات شديدة مثل مرض باركنسون أو الرعاش الأساسي. ولعقود من الزمن، كانت الطريقة الوحيدة لإصلاحها هي الحفر داخل الجمجمة وإدخال سلك معدني، وهي عملية تُعرف باسم التحفيز العميق للدماغ. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه الجراحة تحمل مخاطر جسيمة. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة للوصول إلى هذه الأهداف العميقة دون قطع الرأس، باستخدام كهرباء تمر بسلام عبر الجلد. وتكمن المشكلة في أن التيارات الكهربائية تتشتت طبيعياً وتفقد قوتها أثناء انتقالها، مما يجعل من الصعب تركيز الطاقة على نقطة صغيرة وعميقة دون صعق سطح الدماغ الموجود فوقها مباشرة. ويقدم أسلوب يُسمى "تحفيز التداخل الزمني" حلاً محتملاً؛ فهو يستخدم تيارين كهربائيين عاليي التردد يمران عبر الرأس من زوايا مختلفة. وبشكل فردي، تكون هذه التيارات سريعة جداً بحيث لا تلاحظها خلايا الدماغ، ولكن حيث يتقاطع مسارهما في العمق، يخلقان نبضاً إيقاعياً بطيئاً يمكن للدماغ الشعيد به. وهذا يسمح للباحثين باستهداف المناطق العميقة مع ترك السطح دون مساس تقرياً.

قام فريق من الباحثين في ألمانيا مؤخراً باختبار ما إذا كانت هذه الطريقة تعمل في الحيوانات الحية، وتحديداً الفئران، وما إذا كان بإمكانهم استخدام نماذج الكمبيوتر لجعل التحفيز أكثر دقة. بدأوا ببناء نسخة رقمية مفصلة، أو "توأم رقمي"، لرأس فأر. لم يكن هذا النموذج الحاسوبي مجرد شكل بسيط، بل كان خريطة معقدة تأخذ في الاعبعال الطرق المختلفة التي توصل بها الجلد والعظم وأنسجة الدماغ الكهرباء. وباستخدام هذا النموذج، أجرى العلماء آلاف عمليات المحاكاة للعثور على المكان المثالي لوضع أربعة أقطاب كهربائية صغيرة على جمجمة الفأر. كان هدفهم هو توجيه النبضة الكهربائية تحديداً نحو المهاد (thalamus)، وهو منطقة عميقة في الدماغ مسؤولة عن التحكم الحركي، مع تجنب تحفيز المناطق الأخرى غير الضرورية. واقترحت الحسابات الحاسوبية أن وضع الأقطاب في زوجين محددين سيخلق أقوى نمط تداخل في المكان الذي أرادوه تماماً.

ومع تأكيد الخطة بواسطة الكمبيوتر، انتقل الباحثون إلى المختبر. قاموا بوضع الأقطاب بعناًة على جماجم الفئران المخدرة وطبقوا التيارات الكهربائية. ولمعرفة ما يحدث داخل الدماغ، استخدموا جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي القوي، وهو آلة يمكنها التقاط صور لنشاط الدماغ في الوقت الفعلي. كانت النتائج مذهلة؛ فعند تشغيل التحفيز الكهربائي، أضاء الدماغ في الماسح الضوئي. أظهر المهاد العميق، وهو الهدف المنشود بدقة، استجابة قوية. لكن التأثير لم يتوقف عند هذا الحد، إذ انتقلت الإشارة أيضاً إلى هياكل عميقة أخرى، بما في ذلك الحصين (hippocampus)، وهو جزء حيوي للذاكرة، واللوزة (amygdica)، التي تعالج العواطف. حتى أجزاء الدما البعيدة عن الأقطاب، مثل القشرة البصرية والمناطق المسؤولة عن اتخاذ القرار، أظهرت علامات على النشاط. وقد أكد هذا أن النبضة الكهربائية لم تكن تصيب الهدف بمعزل عن غيره فحسب، بل كانت تنشط شبكات كاملة من دوائر الدماغ، سواء بشكل مباشر أو من خلال الروابط التي تربط بين مناطق الدماغ المختلفة.

كما نظر الباحثون في كيفية تغير كيمياء الدماغ الداخلية أثناء هذه العملية. وباستخدام تقنية متخصصة تقيس مستويات الرسائل الكيميائية، وجدوا اتجاهاً يشير إلى أن التوازن بين الإشارات الاستثارية والتثبيطية في المهاد قد تغير. وتحديداً، بدا أن هناك زيادة في الغلوتامات (glutamate)، وهو كيميائي يشجع خلايا الدماغ على العمل، مقارنة بحمض غاما-أمينوبيوتيريك (GABA)، وهو كيميائي يعمل على تهدئتها. ويشير هذا التحول إلى أن التحفيز نجح في تغيير الحالة الأيضية للدماغ. ومع ذلك، عندما فحصوا كيف تغيرت روابط الدماغ بعد توقف التحفيز، كانت التأثيرات قصيرة المدى بشكل مفاجئ؛ إذ عادت أنماط الراحة في الدماغ إلى طبيعتها بسرعة نسبية، مما يشير إلى أن جلسة واحدة من التحفيز تخلق تحولاً مؤقتاً وليس إعادة صياغة دائمة للشبكة.

ولضمان أن الإشارات التي رأوها ناتجة حقاً عن تفاعل الدماغ مع الكهرباء وليس مجرد تداخل المجالات الكهربائية مع الماسح الضوئي نفسه، أجرى الفريق عدة اختبارات ضبط. قاموا بمسح ليمونة ومخلل بنفس المعدات والإعدادات، ولم يجدوا أي تغيرات في الإشارة، مما أثبت أن نشاط الدماغ كان استجابة بيولوجية. كما اختبروا مجموعة من الفئران بتيار ضعيف جداً وغير فعال، ولم تظهر تلك الحيوانات أي نشاط دماغي على الإطلاق. ويخلص البحث إلى أن هذه الطريقة غير الجراحية هي وسيلة مجدية لتحفيز هياكل الدماغ العميقة في القوارض. ومن خلال الجمع بين نموذج حاسوبي لتصميم الإعداد الأمثل والاختبار الواقعي، أنشأ الباحثون سير عمل يمكن أن يؤدي في النهاية إلى علاجات شخصية غير جراحية للبشر. وبينما كانت آثار هذه الجلسة الواحدة مؤقتة، فإن القدرة على استهداف مناطق الدماغ العميقة بأمان ودقة دون جراحة تفتح باباً جديداً لفهم الاضطرابات العصبية وعلاجها.