Programmable dendrite-inspired organic electrodes for neuronal interfacing

يُعد الدماغ مشهداً ناعماً، رطباً، ومتغيراً باستمرار من الخلايا الحية، بينما الأجهزة التي نستخدمها للاستماع إليه عادة ما تكون صلبة، مسطحة، وغير مرنة. لعقود من الزمن، حاول العلماء سد هذه الفجوة عبر ربط مستشعرات معدنية أو سيليكونية صلبة بأنسجة عصبية دقيقة. تكمن المشكلة في أن هذين العالمين لا يتوافقان جيداً؛ فالجهاز الصلب يضغط على النسيج الناعم، مما يدفع الجسم للتفاعل عبر بناء ندبة تعزل المستشعر، تماماً مثل شظية تحت الجلد. هذا الحاجز يضعف الإشارة بمرور الوقت، مما يجعل من الصعب سماع الهمسات الكهربائية الخافتة للخلايا العصبية بوضوح. ولحل هذه المعضلة، لجأ الباحثون إلى مواد بلاستيكية ناعمة يمكنها التحرك مع الدماغ، ولكن حتى هذه المواد الناعمة غالباً ما تظل مسطحة، مما يترك فجوة صغيرة وفارغة بين المستشعر وغشاء الخلية. تعمل هذه الفجوة كحاجز، مما يؤدي إلى طمس الاتصال. إن الهدف من التكنولوجيا العصبية الحديثة هو ابتكار مستشعر لا يكتفي بمجرد الجلوس فوق الخلية العصبية، بل يحتضنها بالفعل، مكوناً رابطاً وثيقاً وسلساً يسمح باتصال واضح دون تحفيز دفاعات الجسم.

لقد قطع فريق من الباحثين في مركز يوليش للأبحاث في ألمانيا والمعهد الإيطالي للتكنولوجيا خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال ابتكار نوع جديد من الأقطاب الكهربائية يحاكي الهيكل المتفرع للخلية العصبية نفسها. فبدلاً من السطح المسطح، قاموا بتنمية ألياف دقيقة تشبه الأشجار مصنوعة من بوليمر موصل مباشرة على مستشعراتهم. هذه الألياف، التي تشبه أغصان الشجر أو امتدادات الخلية العصبية، مصممة ليتم لمسها والالتفاف حولها من قبل الخلايا العصبية التي يُفترض بها قياسها. ومن خلال التحكم الدقيق في الظروف الكهربائية أثناء عملية النمو، استطاع العلماء برمجة حجم وشكل وتعقيد هذه الألياف، محولين وسادة مسطحة بسيطة إلى هيكل ثلاثي الأبعاد ومتفرع يدعو الخلية للاقتراب.

قام الباحثون بتنمية هذه الهياكل باستخدام عملية تسمى "الترسيب الكهربائي"، حيث طبقوا نبضات كهربائية محددة على محلول يحتوي على اللبنات الأساسية للبوليمر. ومن خلال ضبط الجهد، وسرعة النبضات، ومدة النمو، استطاعوا تحديد كيفية تشكل الألياف. لقد صنعوا ثلاثة أنواع متميزة من الأسطح لاختبارها: طلاء ثنائي الأبعاد مسطح؛ ونسخة ذات ألياف قصيرة وسميكة؛ ونسخة ذات ألياف طويلة ومتفرعة ومعقدة. صُممت هذه الهياكل لتشبه مراحل مختلفة من نمو الخلية العصبية نفسها، من جسم خلية بسيط إلى شبكة متطورة من الأغصان. ووجد الفريق أنه بمجرد تغيير الإعدادات الكهربائية، يمكنهم التبديل بشكل موثوق بين هذه الأشكال المختلفة، مما يثبت أن الشكل الفيزيائي للقطب الكهربائي يمكن برمجته تماماً مثل كود الكمبيوتر.

وعند وضع هذه الأقطاب الجديدة في تماس مع خلايا دماغية حية من الجرذان، كان الفرق في كيفية تفاعل الخلايا مع السطح مذهلاً. فعلى الأقطاب المسطحة، استقرت الخلايا في الأعلى، لكن ظلت هناك فجوة ملحوظة بين غشاء الخلية والمستشعر. ومع ذلك، على الأقطب المغطاة بالألياف، تصرفت الخلايا بشكل مختلف؛ حيث أرسلت الخلايا العصبية امتداداتها الصغيرة الخاصة، والتي تسمى "الزوائد العصبية"، والتي امتدت والتفت بإحكام حول الألياف الاصطناعية. وفي بعض الحالات، انثنى غشاء الخلية للداخل، محتضناً الليف بقوة لدرجة أن المساحة بين الخلية والمستشعر كادت تتلاشى. كان هذا الاحتضان الوثيق أكثر فعالية في حالة الألياف القصيرة والسميكة، حيث استطاع غشاء الخلية التكيف تماماً مع شكل الهيكل. أما في الألياف الطويلة والأكثر دقة، فقد كان الالتفاف موجوداً أيضاً، لكنه أصبح أقل إحكاماً مع ترقق الألياف باتجاه أطرافها، مما يشير إلى أن السمك الفيزيائي للفرع يؤثر على مدى قدرة الخلية على التمسك به.

هذا القرب الفيزيائي تُرجم مباشرة إلى أداء كهربائي أفضل. سجل الباحثون النشاط الكهربائي للخلايا الدماغية على مدار عدة أسيتابيع، ووجدوا أن الشبكات التي نمت على الأقطبة ذات الألياف القصيرة كانت أكثر نشاطاً من تلك التي نمت على الأسطح المسطحة أو الألياف الطويلة. كانت الخلايا على الألياف القصيرة تطلق إشاراتها بتكرار أكبر وتجمع إشاراتها في دفعات نشاط أقوى. يشير هذا إلى أن التماس الفيزيائي الوثيق الذي وفرته الألياف القصيرة ساعد الخلايا على التواصل بفعالية أكبر مع الجهاز. في المقابل، لم تساهم الألياف الطويلة في تعزيز النشاط بنفس القدر، ويرجع ذلك على الأرجح إلى عدم قدرة الخلايا على الالتفاف حول الأطراف الرفيعة والبعيدة بنفس الأمان الذي يمكنها به الالتفاف حول القاعدة الأكثر سمكاً. كما أظهرت الدراسة أن هذه الهياكل الجديدة لم تخل بالنظام العام لأنسجة الدماغ؛ فلم تتكتل الخلايا أو تغير مخططها العام، لكنها أظهرت علامات على تكوين نقاط اتصال أكثر تخصصاً، تُعرف بالتشابكات العصبية، في المواقع التي تلمس فيها الألياف مباشرة.

ولعل الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن هذه الأقطبة المغطاة بالألياف سمحت للباحثين بفعل شيء يستحيل عادةً مع المستشعرات القياسية: وهو إلقاء نظرة خاطفة ومؤقتة داخل الخلية. باستخدام شعاع ليزر مركز، صنع الفريق ثقباً صغيراً ومؤقتاً في غشاء الخلية في المكان الذي تلمس فيه الليف تماماً. هذه التقنية، المعروفة باسم "الثقب الضوئي" (optoporation)، سمحت للقطب الكهربائي بتسجيل الإشارة الكهربائية من داخل الخلية، وهي مهمة كانت تقتصر عادةً على طرق أكثر توغلاً. اعتمدت جودة هذه الإشارة الداخلية على مكان إصابة الليزر لليف؛ حيث كانت الإشارة أوضح عند قاعدة الفرع، حيث تكون الخلية ملتفة بإحكام، وأصبحت أضعف باتجاه الطرف. وقد أكد هذا أن قوة الاتصال بين الخلية والقطب الكهربائي تتحدد من خلال الشكل المحلي لليف.

يُظهر هذا العمل أن الشكل الفيزيائي للمستشعر العصبي لا يقل أهمية عن المادة المصنوع منها. فمن خلال تنمية أقطاب تشبه وتشعر مثل الخلايا العصبية التي تهدف للتعامل معها، نجح الباحثون في إنشاء منصة تشجع الخلايا على التكامل بشكل طبيعي، مما يقلل من الفجوة التي تعيق الاتصال عادةً. ورغم أن هذه التكنولوجيا لا تزال تتطلب مزيداً من التطوير لتعظيم وضوح الإشارة، إلا أن الدراسة تثبت أن برمجة البنية الفيزيائية للأقطاب الكهربائية العضوية هي وسيلة قوية للتحكم في كيفية اتصال الأدمة الحية بالأجهزة الاصطناعية. إن هذا النهج يتجاوز مجرد جعل المستشعرات أكثر نعومة أو أصغر حجماً؛ إنه يغير الهندسة الجوهرية للواجهة، مما يسمح للجهاز بأن يصبح جزءاً من البنية البيولوجية التي صُمم لقراءتها.