Memristor-Driven Spike Encoding for Fully Implantable Cochlear Implants

एक बड़ी तस्वीर: भविष्य के लिए एक "स्मार्ट कान"

कल्पना कीजिए कि आपके पास एक ऐसा हियरिंग एड (श्रवण यंत्र) है जो केवल आपके कान के पीछे नहीं लगा होता या तार से लटका नहीं होता। इसके बजाय, यह आपके शरीर के अंदर पूरी तरह से छिपा हुआ एक छोटा, आत्मनिर्भर उपकरण है। यही फुली इम्प्लांटेबल कोक्लियर इंप्लांट्स (FICI) का लक्ष्य है।

वर्तमान उपकरणों के साथ समस्या यह है कि वे पुराने जमाने के रेडियो की तरह हैं: उन्हें बड़े बाहरी हिस्सों, अक्सर खत्म होने वाली बैटरी और ध्वनि को प्रोसेस करने के लिए जटिल कंप्यूटरों की आवश्यकता होती है। यह नया शोध एक ऐसे "स्मार्ट कान" का प्रस्ताव करता है जो बहुत छोटा है, जिसमें लगभग शून्य बिजली खर्च होती है, और जो किसी कंप्यूटर की तुलना में वास्तविक जैविक कान की तरह अधिक काम करता है।

समस्या: वर्तमान इंप्लांट्स का "भारी काम"

अभी, कोक्लियर इंप्लांट्स इस तरह काम करते हैं:

1. आपके कान के बाहर का एक माइक्रोफोन ध्वनि को पकड़ता है।
2. एक भारी कंप्यूटर प्रोसेसर उस ध्वनि को आवृत्तियों (frequencies) में तोड़ देता है (जैसे एक कॉर्ड को अलग-अलग नोट्स में अलग करना)।
3. यह आपके कान के अंदर इलेक्ट्रोड्स को विद्युत संकेत भेजने के लिए विद्युत संकेतों को भेजता है ताकि तंत्रिका (nerve) को उत्तेजित किया जा सके।

यह प्रक्रिया बिजली पर बहुत भारी पड़ती है (बैटरी को जल्दी खत्म करती है) और इसमें समय लगता है (सुनने में थोड़ी देरी का कारण बनता है)। शोधकर्ता चाहते थे कि इस "भारी काम" करने वाले कंप्यूटर को हटा दिया जाए और हार्डवेयर को स्वाभाविक रूप से काम करने दिया जाए।

समाधान: एक तीन-भाग वाला "जैविक नकल" (Biological Mimic)

टीम ने एक छोटा सिस्टम बनाया है जो इस तरह काम करता है जैसे एक असली कान काम करता है, जिसमें तीन मुख्य भाग हैं:

1. "ट्यूनिंग फोर्क" ऐरे (MEMS कैंटिलीवर्स)

एक असली कान को हजारों सूक्ष्म बालों की तरह समझें जो अलग-अलग पिच पर कंपन करते हैं। ऊंचे स्वर प्रवेश द्वार के पास के बालों को कंपन कराते हैं; कम स्वर गहराई में स्थित बालों को कंपन कराते हैं।

शोधकर्ताओं ने एक माइक्रो-चिप बनाई है जिसमें 16 छोटे, सर्पिल आकार के "ट्यूनिंग फोर्क" (जिन्हें MEMS कैंटिलीवर्स कहा जाता है) हैं।

• यह कैसे काम करता है: प्रत्येक ट्यूनिंग फोर्क एक विशिष्ट आवृत्ति (frequency) के लिए ट्यून किया गया है। यदि आप एक कम स्वर बजाते हैं, तो केवल "लो नोट" वाला ट्यूनिंग फोर्क कंपन करता है। यदि आप एक ऊंचा स्वर बजाते हैं, तो केवल "हाई नोट" वाला ट्यूनिंग फोर्क कंपन करता है।
• जादू: यह स्वचालित रूप से भौतिकी (physics) के माध्यम से होता है। चिप को आवृत्ति की गणना करने के लिए कंप्यूटर की आवश्यकता नहीं होती; यह बस उसे महसूस करती है। यह एक पियानो की तरह है जहाँ कुंजी दबाने पर केवल वही विशिष्ट तार कंपन करता है, बिना किसी मस्तिष्क के यह बताए कि किस तार को छूना है।

2. "लाइट स्विच" न्यूरॉन (VO2 मेमरिस्टर)

एक बार जब ट्यूनिंग फोर्क कंपन करता है, तो यह एक छोटा विद्युत संकेत उत्पन्न करता है। लेकिन मस्तिष्क सुचारू, निरंतर बिजली को नहीं समझता; वह "स्पाइक्स" (जैसे न्यूरॉन का फायर होना) को समझता है।

टीम ने वैनैडियम डाइऑक्साइड (VO2) नामक एक विशेष सामग्री का उपयोग एक "स्मार्ट स्विच" के रूप में किया है।

• उपमा: एक लाइट स्विच की कल्पना करें जो "ऑफ" स्थिति में फंसा हुआ है। जैसे-जैसे आप इसे और जोर से दबाते हैं (वोल्टेज बढ़ाते हैं), यह अचानक ऊर्जा के एक विस्फोट के साथ "ऑन" हो जाता है। फिर, जैसे ही आप अपना दबाव कम करते हैं, यह वापस "ऑफ" हो जाता है।
• परिणाम: यह "स्नैपिंग" (झटके से बदलना) विद्युत स्पाइक्स की एक तीव्र श्रृंखला बनाता है। ट्यूनिंग फोर्क से कंपन जितना मजबूत होगा, स्विच उतनी ही तेजी से ऑन और ऑफ होगा। यह इस तरह नकल करता है जैसे वास्तविक तंत्रिका कोशिकाएं (neurons) फायर करती हैं: तेज आवाज = तेज फायरिंग।

3. "दो-तरफा रास्ता" सिग्नल (बाइफेसिक वेवफॉर्म्स)

वर्तमान कोक्लियर इंप्लांट्स ऐसे विद्युत स्पंद (pulses) का उपयोग करते हैं जो एक दिशा में जाते हैं (केवल पॉजिटिव)। समय के साथ, यह शरीर में "स्थिर चार्ज" (static charge) बना सकता है, जो खतरनाक है। हालाँकि, वास्तविक नसें संतुलित रहने के लिए दो-तरफा सिग्नल (पॉजिटिव फिर नेगेटिव) का उपयोग करती हैं।

शोधकर्ताओं ने अपने उपकरण में एक सरल सर्किट सुधार (इंडक्टर) जोड़ा।

• उपमा: एक झूले के बारे में सोचें। एक तरफा धक्का झूले को बस आगे की ओर धकेलता रहता है। दो-तरफा गति (आगे धकेलना, फिर पीछे खींचना) झूले को बिना टकराए सुचारू रूप से चलाने में मदद करती है।
• परिणाम: उन्होंने सफलतापूर्वक अपने एक-तरफा विद्युत स्पाइक्स को एक सुरक्षित, दो-तरफा "बाइफेसिक" सिग्नल में बदल दिया जो चिकित्सा इंप्लांट्स के लिए बिना किसी नुकसान के भेजा जा सकता है।

उन्होंने वास्तव में क्या सिद्ध किया

पेपर इस सिस्टम के एक एकल चैनल का उपयोग करके एक सफल "प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट" की रिपोर्ट करता है:

• यथार्थवादी परीक्षण: उन्होंने केवल लाउड स्पीकर का उपयोग नहीं किया; उन्होंने सूक्ष्म ट्यूनिंग फोर्क्स को 10 नैनोमीटर (एक वायरस की चौड़ाई के बराबर) जितनी छोटी हलचल के साथ हिलाने के लिए एक मशीन का उपयोग किया। यह ठीक उसी आकार की हलचल है जो एक वास्तविक मानव कान की छोटी हड्डियों में पाई जाती है।
• आवृत्ति चयन (Frequency Selection): सिस्टम ने ध्वनि आवृत्ति के आधार पर सही ढंग से पहचाना कि कौन सा "ट्यूनिंग फोर्क" कंपन कर रहा था।
• रेट एनकोडिंग (Rate Encoding): उन्होंने सिद्ध किया कि तेज आवाजों ने स्पाइक्स को तेजी से होने पर मजबूर किया। उदाहरण के लिए, एक धीमी आवाज प्रति सेकंड 100 स्पाइक्स पैदा कर सकती है, जबकि एक तेज आवाज 800 स्पाइक्स पैदा कर सकती है। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसे मानव मस्तिष्क वॉल्यूम को एनकोड करता है।
• सुरक्षा: उन्होंने प्रदर्शित किया कि वे कच्चे विद्युत आउटपुट को सुरक्षित, दो-तरफा (बाइफेसिक) आकार में बदल सकते हैं जो मेडिकल इंप्लांट्स के लिए आवश्यक है।

निचोड़ (The Bottom Line)

यह शोध यह दावा नहीं करता है कि उनके पास कल सर्जरी के लिए तैयार कोई पूर्ण चिकित्सा उपकरण है। इसके बजाय, यह सिद्ध करता है कि एक छोटा, कम शक्ति वाला, बायोमिमेटिक सर्किट वर्तमान श्रवण इंप्लांट्स के भारी कंप्यूटर प्रोसेसर की जगह ले सकता है।

सूक्ष्म यांत्रिक "ट्यूनिंग फोर्क्स" और एक "स्मार्ट स्विच" सामग्री का उपयोग करके, उन्होंने दिखाया है कि बहुत कम ऊर्जा के साथ ध्वनि कंपन को सीधे तंत्रिका तंत्र की भाषा (स्पाइक्स) में बदलना संभव है। यह भविष्य के श्रवण इंप्लांट्स का मार्ग प्रशस्त करता है जो छोटे, लंबे चलने वाले बैटरी वाले और उपयोगकर्ता के लिए अधिक प्राकृतिक महसूस होने वाले होंगे।