FLEX-DBS: a flexible wireless platform for bilateral constant-current deep brain stimulation in freely moving rodents
يُعد FLEX-DBS منصة خفيفة الوزن، لاسلكية، تُثبت على الرأس للقوارض، تتيح تحفيزاً عميقاً للدماغ بتيار ثابت وثنائي الجانب وقابل للبرمجة مع تحكم في الوقت الفعلي وتشغيل ذاتي، مما يوفر بديلاً مرناً للأنظمة المتصلة بأسلاك رغم محدودية مدة تشغيل البطارية التي تبلغ حوالي ثلاثة أيام.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يُعد التحفيز العميق للدماغ علاجاً طبياً يستخدم نبضات كهربائية دقيقة لتهدئة أو تنشيط أجزاء معينة من الدماغ. وقد أصبح علاجاً قياسياً للأشخاص الذين يعانون من اضطرابات حركية شديدة مثل مرض باركنسون، ويعمل الباحثون بشكل متزايد على اختباره لحالات مثل الألم المزمن والاكتئاب. ولفهم كيفية تغيير هذه النبضات الكهربائية للدماغ والسلوك بدقة، يدرس العلماء هذه التقنية في الحيوانات المختبرية، وعادة ما تكون الفئران. ولعقود من الزمن، اعتمدت هذه التجارب على إعداد بسيط ولكنه محدود: سلك يربط الحيوان بآلة كبيرة خارج قفصه. هذا القيد يمنع الحيوان من الحركة بحرية، مما يجعل من الصعب دراسة السلوكيات الطبيعية مثل التفاعل الاجتماعي أو كيفية تحرك الحيوان في موطنه. وبينما توجد بعض الأجهزة اللاسلكية، إلا أنها غالباً ما تجبر الباحثين على الاختيار بين عمر البطارية الطويل أو القدرة على تغيير إعدادات النبضات الكهربائية أثناء سير التجربة.
قام فريق من الباحثين في كلية واشنطن للطب بتطوير جهاز جديد يسمى FLEX-DBS لحل هذه المشكلة. وهو عبارة عن محفز صغير يعمل بالبطارية يوضع على ظهر فأر، مما يسمح للحيوان بالحركة بحرية تامة. وخلافاً للنماذج اللاسلكية القديمة التي تتطلب تثبيت الإعدادات قبل زرع الجهاز في الحيوان، يتيح هذا الجهاز للعلماء تعديل قوة وسرعة وتوقيت تحفيز الدماغ باستخدام تطبيق على الهاتف الذكي بينما يتواجد الفأر داخل قفصه. يرسل الجهاز إشارات كهربائية إلى أقطاب كهربائية مزروعة في الدماغ على جانبي الرأس، مستخدماً تياراً ثابتاً يظل مستقراً حتى لو تغيرت أنسجة الدماغ. ووجد الباحثون أن الجهاز يعمل بشكل موثوق لمدة ثلاثة أيام تقريباً باستخدام زوج واحد من البطاريات الصغيرة، وهي مدة كافية لإجراء العديد من التجارب ولكنها قصيرة بما يكفي لاستبدال البطاريات بسهولة دون إلحاق الضرر بالحيوان.
إن جوهر هذا الاختراع هو دائرة إلكترونية ذكية تولد تدفقاً ثابتاً للكهرباء، بغض النظر عن مدى المقاومة التي تبديها أنسجة الدماغ. ففي العديد من الأنظمة القديمة، كان التيار الكهربائي ينخفض إذا أصبح الاتصال بالدماغ صعباً، مما يجعل العلاج غير متسق. يحافظ الجهاز الجديد على تيار دقيق، لكن الباحثين اكتشفوا أن الدماغ نفسه هو الذي يضع الحد الأقصى لقوة الإشارة. فعندما قاموا بقياس المقاومة الكهربائية للأقطاب داخل فئران حية على مدار ثمانية أسابيع، وجدوا أنها تفاوتت بشكل كبير، وأصبحت أحياناً عالية جداً بحيث لا يستطيع الجهاز دفع إشارة قوية من خلالها. وهذا يعني أنه بينما يمكن للجهاز نظرياً إرسال إشارة قوية جداً، فإن القوة الفعلية التي تصل إلى الدماغ تعتمد على حالة القطب والأنسجة المحيطة به. وقد أظهر الباحثون أنه بالنسبة لأقطابهم المحددة، يمكن للجهاز تقديم إشارات موثوقة ضمن نطاق يتوافق مع ما هو مطلوب للدراسات السلوكية، ولكنه لم يستطع الوصول إلى أقصى طاقته النظرية في كل حيوان.
ولإثبات أن الجهاز يعمل كما هو مخطط له، اختبره الفريق على فئران زُرعت فيها أقطاب كهربائية في منطقة من الدماغ مرتبطة بالألم والعاطفة. قاموا بتشغيل التحفيز عند مستوى عالٍ وراقبوا الحيوانات في ساحة مفتوحة. أصبح الفئران أكثر سكوناً بشكل ملحو�وظيظ أثناء التحفيز، حيث قضوا حوالي 76 بالمائة من وقتهم دون حراك مقارنة بأقل من نصف ذلك الوقت قبل تشغيل الجهاز. يشير سلوك التجمد هذا إلى أن الجهاز نجح في إيصال إشارة كهربائية قوية إلى الدماغ. ومع ذلك، فقد كان الباحثون حذرين في ملاحظة أنه بدون مجموعة ضابطة تلقت علاجاً وهمياً، لم يتمكنوا من التأكد مما إذا كان السكون ناتجاً فقط عن الكهرباء أم بسبب اعتياد الحيوان على غرفة الاختبار بمرور الوقت. ورغم هذا القصور، أكدت التجربة أن الجهاز يمكنه تقديم تحفيز قوي لحيوان يتحرك بحرية.
يمثل النظام الجديد تحولاً في كيفية تصميم هذه التجارب. فقد كانت الأجهزة اللاسلكية السابقة تُبنى لتدوم لأسابيع أو أشهر بشحنة واحدة، ولكن لم يكن من الممكن تغييرها بمجرد بدء التجربة. يضحي هذا الجهاز الجديد بعمر البطارية الطويل جداً مقابل اكتساب المرونة في تغيير الإعدادات في الوقت الفعلي. فهو يستهلك طاقة أكبر لأنه يبقي إلكترونياته مستيقظة ومستعدة لتلقي الأوامر من الهاتف، لكن هذه المقايضة تسمح للعلماء بضبط العلاج بدقة لكل حيوان على حده. يزن الجهاز أقل من أربعة غرامات، وهو وزن خفيف بما يكفي لعدم إرهاق الفأر، ويستخدم بطاريات قياسية رخيصة الثمن يمكن استبدالها عبر فصل الوحدة لفترة وجيزة. ومن خلال الجمع بين الحرية اللاسلكية والقدرة على تعديل التحفيز أثناء العمل، يفتح هذا الجهاز الباب أمام دراسات أكثر طبيعية حول كيفية تأثير تحفيز الدماغ على السلوك، والتفاعل الاجتماعي، والتغيرات الدماغية طويلة الأمد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.