Ultra-high-efficacy Wireless Neuromodulation Using a Conductive Ring Interface

على مدى عقود، استخدم الأطباء الكهرباء لتهدئة رعشات مرض باركنسون، ورفع ثقل الاكتئاب الشديد، وإدارة الألم المزمن. وتتضمن الطريقة القياسية زرع أقطاب كهربائية مباشرة في الدماغ أو على طول الأعصاب، متصلة بأسلاك بجهاز يعمل بالبطارية. ورغم فعاليتها، إلا أن هذا النهج ينطوي على مخاطر جراحية ويحد من المكان الذي يمكن فيه إيصال الكهرباء. وتحاول طرق أخرى تجنب الجراحة عن طريق إرسال مجالات مغناطيسية أو موجات صوتية عبر الجلد، لكن هذه التقنيات غالباً ما تفتقر إلى الدقة، حيث تحفز مساحات واسعة من الأنسجة بدلاً من عصب واحد محدد، وتتطلب كميات هائلة من الطاقة مما يجعل استخدامها صعباً في الحياة اليومية. ويظل التحدي المركزي هو: كيفية إيصال إشارة كهربائية قوية ومستهدفة إلى نقطة صغيرة داخل الجسم دون إجراء جراحة عميقة أو استخدام آلة خارجية ضخمة.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة ميامي ومؤسسات أخرى طريقة جديدة لحل هذا اللغز، باستخدام مبدأ فيزيائي بسيط لتحويل مجال مغناطيسي ضعيف إلى شرارة كهربائية موضعية قوية. ويشير عملهم، المدعوم بنمذجة حاسوبية واختبارات أولية على الفئران، إلى أن موصلاً صغيراً على شكل حلقة يمكن زرعه بالقرب من عصب يمكن أن يعمل كمستقبل عالي الكفاءة. فعند تعرضه لمجال مغناطيسي لطيف وسريع التغير من جهاز قابل للارتداء خارج الجسم، تلتقط الحلقة الطاقة وتوجهها إلى فجوة مجهرية داخل الحلقة نفسها. ويؤدي تركيز هذه الطاقة إلى إنشاء مجال كهربائي قوي تماماً عند تلك الفجوة، بما يكفي لتحفيز العصب، بينما تظل بقية الأنسိတ် المحيطة دون مساس.

تعتمد الفكرة الجوهرية على سلوك الكهرباء في الحلقات الموصلة. فعندما يتغير مجال مغناطيسي بالقرب من حلقة سلكية، فإنه يدفع الإلكترونات حول الحلقة، مما يؤدي إلى إنشاء تيار. وفي الإعداد التقليدي، ينتشر هذا التيار عبر أنسجة الجسم الطبيعية، وهي ليست جيدة جداً في توصيل الكهرباء، مما يؤدي إلى إشارة ضعيفة تتلاشى بسرعة. وقد أدرك الباحثون أنه إذا وضعوا حلقة مصنوعة من مادة أفضل بكثير في توصيل الكهرباء من أنسجة الجسم، فإن التيار سيفضل التدفق عبر الحلقة. ومن خلال ترك فجوة صغيرة عمداً في هذه الحلقة، يمكنهم إجبار كل تلك الطاقة المجموعة على القفز عبر الفتحة الصغيرة. ولأن الفجوة ضيقة جداً، يصبح المجال الكهربائي مكثفاً للغاية عند تلك النقطة، بينما تحمل بقية الحلقة التيار دون مقاومة تذكر.

ولاختبار هذا المفهوم، بنى الفريق محاكاة حاسوبية مفصلة لواجهة على شكل حلقة، حجمها يقارب حجم عملة معدنية صغيرة، وضعت في نموذج من الأنسجة البشرية. وتصوروا أن الحلقة مصنوعة من بوليمر موصل متوافق حيوياً، وهي مادة آمنة للجسم وتوصل الكهرباء بشكل أفضل بكثير من اللحم. وجعلوا الفجوة في الحلقة بعرض حوالي 0.3 مليمتر، وهو حجم يقارب قطعة من عصب طرفي. وأظهرت المحاكاة أنه عند تطبيق مجال مغناطيسي بقوة 1 كيلو أمبير لكل متر وبتردد 10 كيلو هرتز، فإن المجال الكهربائي في الفجوة الصغيرة يرتفع إلى حوالي 50 فولت لكل متر. وهذا المستوى من الكثافة كافٍ لتحفيز العصب. وفي المقابل، لتحقيق التأثير نفسه باستخدام تقنيات التحفيز المغناطيسي الحالية بدون الحلقة، سيتعين أن يكون المجال المغناطيسي الخارجي أقوى بألف مرة على الأقل.

وجد الباحثون أن حجم الحلقة والمادة المصنوعة منها يلعبان دوراً حاسماً في كفاءة النظام. فكلما زادت موصلية مادة الحلقة بالنسبة للأنسجة المحيطة، زادت قوة المجال الكهربائي في الفجوة. كما اكتشفوا أن جعل الحلقة أكبر قليلاً، حتى حد معين، يسمح باستخدام مجالات مغناطيسية أقل، مما يقلل من الطاقة المطلوبة من الجهاز الخارجي. وأشارت المحاكاة إلى أن حلقة بنصف قطر يبلغ حوالي 10 مليمتر يمكن أن تولد التحفيز اللازم بمجال مغناطيسي منخفض قدره 1 كيلو أمبير لكل متر. ويمثل هذا انخفاضاً كبيراً، حيث يهبط بالمستوى المطلوب للطاقة إلى مستويات مشابهة لتلك المستخدمة في شواحن الهواتف اللاسلكية الشائعة، مما يجعل فكرة جهاز محفز قابل للارتداء ويعمل بالبطارية أمراً ممكناً للغاية.

بعيداً عن النماذج الحاسوبية، أجرى الفريق تجارب أولية على فئران حية لمعرفة ما إذا كانت الفيزياء ستصمد في نظام بيولوجي حقيقي. وقد لاحظوا أن الإعداد نجح في تحفيز استجابة في العصب المستهدف، مما أكد أن نبضات المجال المنخفض النظرية يمكن أن تحفز بالفعل عملية إطلاق السيال العصبي فوق العتبة. وأكدت هذه النتائج المبكرة أن الزيادة النظرية في الكفاءة حقيقية، وأن النهج يمكن أن ينجح خارج جهاز الكمبيوتر. وأشار الباحثون إلى أنه نظراً لأن الغرسة لا تحتوي على إلكترونيات نشطة، ولا بطاريات، ولا أجزاء متحركة، فهي جهاز سلبي بسيط في الزرع ومن غير المرجح أن يفشل بسبب التآكل الميكانيكي أو نفاذ الطاقة.

كما تناولت الدراسة المخاوف المتعلقة بالسلامة، وخاصة الحرارة. وبما أن الحلقة سلبية، فإن الطاقة الوحيدة التي تمتصها تأتي من المجال المغناطيسي، ومعظم هذه الطاقة تتحول إلى المجال الكهربائي اللازم للتحفيز بدلاً من الحرارة. وحسب الباحثون أنه حتى في أسوأ السيناريوهات حيث تتحول كل الطاقة إلى حرارة، فإن ارتفاع درجة الحرارة في الغرسة سيكون ضئيلاً جداً -أقل من جزء من المليون من الدرجة- بحيث يكون غير قابل للكشف ولا يشكل خطراً من حرق الأنسجة المحيطة. وتوحي هذه السلامة الحرارية، جنباً إلى جنب مع القدرة على استخدام مجال مغناطيسي ضعيف، بإمكانية ارتداء الجهاز لفترات طويلة براحة دون التسبب في ضرر.

بينما يركز العمل الحالي على الأعصاب الطرفية، يقترح المؤلفون إمكانية تطبيق نفس المبدأ في النهاية على الجهاز العصبي المركزي أو تصغيره لإنشاء شبكات من المحفزات الصغيرة ذاتية التشغيل المنتشرة في منطقة معينة من الجسم. والميزة الرئيسية لهذه الطريقة هي قدرتها على تركيز الطاقة بدقة عالية، وتجنب آثار "الاستهداف الخاطئ" التي تعيب العلاجات المغناطيسية الحالية. فمن خلال تركيز الطاقة المغناطيسية في فجوة صغيرة، يحقق النظام مستوى من التحكم كان مستحيلاً في السابق دون أسلاك غازية أو معدات خارجية ضخمة. ويمثل هذا البحث مساراً واعداً نحو جيل جديد من الأجهزة الطبية التي هي أصغر حجماً، وأكثر أماناً، وقادرة على تقديم العلاج بدقة في المكان المطلوب، مما قد يغير جذرياً كيفية تقديم التحفيز العصبي للمرضى في المستقبل.