In situ acoustic manufacturing of conformal brain–computer interfaces
تقدم هذه الورقة البحثية تقنية الطباعة بالموجات فوق الصوتية في الموقع الموجهة بالذكاء الاصطناعي (AiUP)، وهي استراتيجية تصنيع صوتية ذات حلقة مغلقة تستخدم أقفاصاً نانوية مستجيبة للضغط ووحدة تحكم تعمل بالذكاء الاصطناعي لطباعة واجهات دماغية حاسوبية متوافقة ومستقرة مباشرة على سطح الدماغ، مما يتغلب بذلك على عدم التوافق الميكانيكي والقيود الجراحية للغرسات التقلة مسبقة الصنع.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يعتبر الدماغ البشري عضواً ناعماً ورطباً ويتحرك باستمرار، وهو مغلف بغشاء واقٍ ويطفو في سائل. لعقود من الزمن، حاول العلماء والأطباء ربط أجهزة الكمبيوتر بهذا النسيج الرقيق للمساعدة في حالات الشلل أو الصرع أو الحالات العصبية الأخرى. وتعتمد الطريقة التقليدية على أخذ جهاز جاهض مسبقاً، وعادة ما يكون عبارة عن مصفوفة من الأسلاك صلبة أو شبه مرنة، وزراعتها جراحياً على سطح الدماغ. ينطوي هذا النهج على خلل جوهري: لا يمكن لشيء مصنوع في المصنع أن يطابق بدقة التضاريس الفريدة والمنحنية والمتغيرة للدماغ الحي. يتسبب هذا عدم التطابق في احتكاك الجهاز بالأنسجة، مما يؤدي إلى الالتهاب، وتكون الأنسجة الندبية، وفقدان تدريجي للإشارات الكهربائية التي يُفترض أن يلتقطها. يتحرك الدماغ، لكن الجهاز لا يتحرك، مما يخلق فجوة تؤدي إلى تدهور الأداء بمرور الوقت.
ولحل هذه المشكلة، سعى الباحثون طويلاً لإيجاد طريقة لبناء هذه الواجهات مباشرة على الدماغ، بدلاً من زرعها. ومع ذلك، فإن الدماغ مكان صعب لتصنيع الأشياء؛ فالضوء لا يمكنه الاختراق بعمق كافٍ لتقسية المواد، والحرارة خطيرة لأنها قد تضر الخلايا العصبية الحساسة. أما الطرق الأخرى التي تعتمد على ضغط أو دفع المواد إلى مكانها، فهي تخاطر بإصابة الأنسجة. لقد كان التحدي يكمل في إيجاد طريقة لإنشاء واجهة موصلة وناعمة داخل الجسم بعمق، باستخدام أداة يمكنها الرؤية عبر الأنسجة، والتحرك دون لمسها، وتحفيز تفاعل كيميائي فقط حيث تشتد الحاجة إليه.
لقد طور فريق من الباحثين الآن نظاماً يلبي هذه التحديات، محولاً الموجات فوق الصوتية — وهي نفس الموجات الصوتية المستخدمة في التصوير الطبي — إلى أداة تصنيع دقيقة. ويطلقون على طريقتهم اسم "الطباعة بالموجات فوق الصوتية الموجهة بالذكاء الاصطناعي في الموقع". وبدلاً من جلب قطب كهربائي جاهز إلى الدماغ، يجلب هذا النظام حبراً سائلاً إلى السطح ويستخدم موجات صوتية مركزة لتحويل ذلك السائل إلى هلام (جل) موصل وناعم في المكان المطلوب تماماً. وتتم عملية الطباعة بتوجيه من متحكم يعمل بالذكاء الاصطناعي يُدعى "EchoAgent"، والذي يراقب عملية الطباعة في الوقت الفعلي ويعدل الموجات فوق الصوتية لضمان تشكل النمط بشكل صحيح، حتى مع تحرك الدماغ أو تشوه الموجات فوق الصوتية.
يكمن مفتاح هذه التكنولوجيا في نوع خاص من الحبر؛ فقد ابتكر الباحثون خليطاً سائلاً يحتوي على أقفاص صغيرة مجوفة مصنوعة من شكل معدل من الحرير. صُممت هذه الأقفاص لتكون مستقرة حتى تشعر بمقدار معين من الضغط الناتج عن الموجات الصوتية. فعندما تصطدم الموجات فوق الصوتية المركزة بالحبر، تنهار الأقفاص عند مستويات ضغط دقيقة، مما يؤدي إلى إطلاق محفز كيميائي يتسبب في تحول الحبر السائل فوراً إلى هلام مائي موصل وناعم. ولأن هذه الأقفاص لا تنكسر إلا عند ضغوط محددة، يمكن للباحثين التحكم بدقة في مكان وكيفية تشكل الهلام. بل يمكنهم أيضاً خلط أنواع مختلفة من الأقفاص لإنشاء طبقات من المواد ذات قوة متفاوتة، كل ذلك ضمن جلسة طباعة واحدة. وهذا يسمح لهم ببناء أقطاب كهربائية ناعمة بما يكفي لتتحرك مع الدماغ، ولكنها قوية بما يكفي لنقل الإشارات الكهربائية بوضوح.
ولإنجاح هذا العمل داخل حيوان حي، بنى الفريق آلة تجمع بين الموجات فوق الصوتية المستخدمة في الطباعة والتصوير بالموجات فوق الصوتية عالي التردد. ويسمح هذا برؤية الحبر، وسطح الدماغ، وعملية الطباعة جميعها في آن واحد. ويعمل الذكاء الاصطناعي، "EchoAgent"، كدماغ للعملية؛ فهو يحلل صور الموجات فوق الصوتية لتحديد المنطقة المستهدفة، ويخطط المسار الذي يجب أن تسلكه الموجات، ويصحح باستمرار أي انحراف أو تشوه ناتج عن الحركات الطبيعية للجسم. وإذا تحرك الدماغ قليلاً، يقوم الذكاء الاصطناعي بتعديل الموجات فوراً للحفاظ على مسار الطباعة. ويضمن هذا النظام ذو الحلقة المغلقة أن يطابق القطب الكهربائي النهائي التصميم المقصود بدقة عالية، وهو أمر يكاد يكون مستحيلاً على الإنسان القيام به يدوياً.
اختبر الباحثون هذا النظام في القوارذ والخنازير، وهما حيوانان يختلفان كثيراً في الحجم؛ حيث تمتلك الخنازير أدمغة أكبر وأكثر تعقيداً مع ثنيات ومنحنيات تشبه دماغ الإنسان بشكل وثيق. في الفئران والجرذان، نجحوا في طباعة مصفوفات أقطاب كهربائية مرنة مباشرة على سطح الدماغ. وسجلت هذه الأقطب المطبوعة نشاط الدماغ بوضوح عالٍ، ملتقطةً كلاً من الإشارات الخلفية المستقرة والنبضات الحادة للأعصاب. وقد أثبت النظام استقراراً على مدار عدة أشهر، وأظهرت الأقطب تداخلاً أقل مع الحركة مقارنة بالأجهزة التقليدية. وفي نموذج للصرع، تمكنت المستشعرات المطبوعة من اكتشاف علامات الإنذار المبكر للنوبة، مما يشير إلى إمكانية استخدامها لمراقبة الأحداث الخطيرة ومن ثم الوقاية منها.
ثم رفع الفريق مستوى التجربة إلى الخنازير، التي تمتلك أدمغة أكبر وأكثر تعقيداً من القوارض. أثبتوا أولاً أن النظام يمكنه طباعة أقطاب كهربائية تحت الجلد لتسجيل موجات الدماغ، ثم انتقلوا إلى طباعة الأقطاب مباشرة على سطح الدماغ المكشوف. شكلت الأقطب المطبوعة طبقة متوافقة احتضنت تضاريس الدماغ تماماً. وسجلت هذه المستشعرات نشاطاً كهربائياً مفصلاً أثناء التحفيز الحسي، بل وسمحت للباحثين بفك تشفير الحركات المقصودة للحيوان. وقد نجح الذكاء الاصطناعي في إدارة عملية الطباعة رغم الحجم الأكبر والبيئة الصوتية الأكثر تحدياً، مما أثبت أن التكنولوجيا يمكن أن تعمل في الأنظمة البيولوجية الكبيرة والمعقدة.
تظهر النتائج أن هذه الطريقة تخلق واجهة سلسة بين التكنولوجيا والبيولوجيا. فمن خلال بناء القطب الكهربائي مباشرة على النسيج، يلغي النظام الفجوة التي تسبب عادةً الضرر وفقدان الإشارة. فالأقطاب المطبوعة ناعمة، وموصلة، ومتوافقة ميكانيكياً مع الدماغ، مما يسمح بتسجيل مستقر وطويل الأمد. وتوضح الدراسة أنه من الممكن تصنيع واجهات عصبية معقدة داخل جسم حي باستخدام الصوت والذكاء الاصطناعي، مما يفتح مساراً جديداً لواجهات الدماغ والحاسوب تكون أقل توغلاً وأكثر فعالية من أي شيء متاح حالياً. إن هذا النهج لا يحسن فقط كيفية ربط الأجهزة بالدماغ، بل يغير المنطق الأساسي لكيفية تفاعلنا معه، من محاولة فرض جهاز ليتناسب معه، إلى تنمية جهاز يتناسب معه بشكل مثالي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.