OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology

لفهم العقل البشري، غالباً ما يستمع العلماء إلى الهمسات الكهربائية لخلايا الدماغ الفردية. ولعقود من الزمن، تطلب هذا الاستماع عملاً يدوياً دقيقاً، حيث كان الباحثون يخفضون أسلاكاً رفيعة في الدماغ واحداً تلو الآخر لالتقاط إشارات عدد قليل من الخلايا العصبية في كل مرة. وقد غير جيل جديد من الأدوات هذا المشهد؛ فهذه الأدوات عبارة عن مجسات طويلة ونحيفة محشوة بمئات المستشعرات الصغيرة، قادرة على تسجيل آلاف الخلايا العصبية في وقت واحد من أعماق الدماغ. توفر هذه التكنولوجيا فرصة لسماع المحادثة الكاملة للدماغ بدلاً من مجرد أصوات معزولة قليلة. ومع ذلك، فإن هذه المجسات الجديدة هشة وتتطلب مستوى من الدقة لا يمكن للمعدات المختبرية القياسية توفيره بسهولة؛ إذ يجب خفضها بشكل مستقيم، دون تمايل، وتثبيتها في مكانها تماماً لساعات. وبدون أداة متخصصة لتوجيهها، تكون مخاطر إتلاف المجس أو الدماغ عالية، وتظل القدرة على استخدام هذه الأجهزة القوية في الحيوانات الكبيرة، مثل القرود، محدودة.

قام فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ببناء حل لهذه المشكلة يسمى "OpenDrive". وهو عبارة عن آلة مصممة خصيصاً لخفض هذه المجسات الدقيقة في أدمغة الحيوانات الكبيرة باستقرار فائق. أنشأ الفريق نظاماً ليس دقيقاً للغاية فحسب، بل هو أيضاً مفتوح لأي شخص لبنائه وتحسينه، مما يتناقض بشكل صارخ مع الآلات التجارية الباهظة التي يصعب تعديلها. يوضح عملهم أن جهازاً منخفض التكلفة ومبنياً من قبل المجتمع يمكنه أن يؤدي بنفس كفاءة الأدوات الغالية التي تبيعها شركات الأدوات العلمية حالياً، بل ويتفوق عليها في بعض الجوانه. ومن خلال مشاركة تصميماتهم وبرمجياتهم بحرية، يأمل الباحثون في إزالة الحواجز المالية والتقنية التي منعت العديد من المختبرات من استخدام هذه التكنولوجيا التحويلية.

يتكون نظام OpenDrive من جزأين رئيسيين: وحدة التحكم والمحركات الدقيقة (microdrives). تعمل وحدة التحكم بمثابة عقل العملية، حيث تستقبل الأوامر من شاشة الكمبيوتر وترسلها إلى المحركات. والمحركات هي محركات صغيرة وخفيفة الوزن ترفع وتخفض المجسات فعلياً. وما يجعل هذا التصميم فريداً هو تركيزه على البساطة والاستقرار؛ فقد بُنيت المحركات حول سكة معدنية مستقيمة، تشبه المسار السلس المستخدم في أدراج الانزلاق، مما يجبر المجس على التحرك في خط مستقيم تماماً. ويمنع هذا التصميم المجس من التأرجح أو الدوران أثناء دخوله إلى الدماغ. يزن المحرك بالكامل حوالي 30 جراماً فقط، أي ما يعادل وزن تفاحة صغيرة، مما يساعد في منع اهتزاز رأس الحيوان أثناء التسجيل. كما صُمم النظام ليحمل مجسات متعددة في آن واحد؛ حيث نجح الباحثون في خفض ما يصل إلى تسعة مجسات في وقت واحد داخل دماغ حيوان واحد، مما يسمح بالاستماع إلى مناطق مختلفة من الدماغ في نفس الوقت.

لإثبات نجاح آلتهم، أخضع الفريق جهاز OpenDrive لسلسة من الاختبارات الصارمة مقابل آلتين تجاريتين شائعتين. قاموا بتثبيت ليزر على الجزء المتحرك من كل آلة وراقبوا أين تسقط حزمة الليزر على مستشعر أثناء خفض الآلة. إذا تمايلت الآلة، فإن نقطة الليزر ستتحرك في دائرة واسعة. أظهرت الآلات التجارية تمايلاً ملحوظاً، حيث تحركت نقطة الليزر بعيداً عن المسار بشكل كبير. في المقابل، حافظ جهاز OpenDrive على ثبات نقطة الليزر تقريباً، حيث تحركت أقل من 3 ميكرومترات. وهذا يعني أن الآلة الجديدة قللت من الاهتزاز الجانبي بنسبة تزيد عن 95 بالمئة مقارنة بالخيارات التجارية. كما قاس الفريق أيضاً مدى دقة تحريك الآلة لمسافة معينة، ووجدوا أن OpenDrive كان بدقة أفضل آلة تجارية، وأكثر دقة بكثير من الآلة الأخرى، حيث كانت الأخطاء صغيرة جداً لدرجة يصعب قياسها.

بعيداً عن الاختبارات المختبرية، استخدم الباحثون OpenDrive في تجارب حقيقية على قرد من نوع ريسوس. لقد نجحوا في خفض المجسات في أجزاء مختلفة من الدماغ، بما في ذلك الهياكل العميقة مثل المهاد والمخيخ، بالإضافة إلى الطبقات الخارجية للدماغ. وفي هذه الجلسات، حافظت الآلة على ثبات المجسات لساعات، مما سمح للفريق بتسجيل نشاط آلاف الخلايا العصبية دون أن تخرج الإشارات عن نطاق التركيز. يتضمن النظام أيضاً برمجيات تتيح للباحثين رؤية مكان وجود المجس بالضبط داخل الدماغ في الوقت الفعلي، عبر دمج مسار المجس فوق خريطة ثلاثية الأبعاد لدماغ الحيوان. يساعد هذا الدليل البصري العلماء على استهداف نقاط محددة بثقة.

إن أهمية هذا العمل تمتد لما هو أبعد من أداء الآلة نفسها. فمنذ سنوات، كانت الأدوات اللازمة لهذا النوع من الأبحاث باهظة الثمن ومنغلقة، مما يعني أنه إذا أراد مختبر تغيير جزء أو إصلاح مشكلة، فعليه الانتظار حتى يقوم المصنع بذلك أو شراء وحدة جديدة مكلفة. ويختلف OpenDrive عن غيره لأن كل جزء منه مفتوح المصدر؛ فالرسومات التخطيطية، والشيفرة البرمجية، والتعليمات كلها متاحة لأي شخص لتحميلها وبنائها وتحسينها. تبلغ التكلفة الإجمالية لبناء نظام كامل حوالي 5,000 دولار، وهو جزء ضئيل من الـ 50,000 دولار المطلوبة للأنظمة التجارية المماثلة. ومن خلال جعل هذه الأدوات متاحة وقابلة للتعديل، يدعو الباحثون المجتمع العلمي العالمي للتعاون في تطوير الأجهزة نفسها. وهم يؤمنون بأنه عندما يتمكن العلماء من مشاركة وتحسين أدواتهم علانية، فإن وتيرة الاكتشاف تتسارع، مما يسمح لمختبرات أكثر باستكشاف العمليات المعقدة للدماغ باستخدام أكثر التقنيات تقدماً المتاحة.