FLEX-DBS: a flexible wireless platform for bilateral constant-current deep brain stimulation in freely moving rodents
FLEX-DBS कृंतकों (rodents) के लिए एक हल्का, वायरलेस, हेड-माउंटेड प्लेटफॉर्म है जो वास्तविक समय नियंत्रण और स्वायत्त संचालन के साथ प्रोग्राम करने योग्य, द्विपक्षीय निरंतर-करेंट डीप ब्रेन स्टिमुलेशन को सक्षम बनाता है, जो लगभग तीन दिनों के सीमित बैटरी रनटाइम के बावजूद टेदर वाले सिस्टमों का एक लचीला विकल्प प्रदान करता है।
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डीप ब्रेन स्टिमुलेशन (गहन मस्तिष्क उत्तेजना) एक चिकित्सा उपचार है जो मस्तिष्क के विशिष्ट हिस्सों को शांत करने या सक्रिय करने के लिए सूक्ष्म विद्युत स्पंदों का उपयोग करता है। यह पार्किंसंस रोग जैसे गंभीर गति संबंधी विकारों वाले लोगों के लिए एक मानक चिकित्सा बन गया है, और शोधकर्ता अब क्रोनिक पेन (पुराने दर्द) और अवसाद जैसी स्थितियों के लिए भी इसका परीक्षण कर रहे हैं। यह समझने के लिए कि ये विद्युत स्पंद मस्तिष्क और व्यवहार को वास्तव में कैसे बदलते हैं, वैज्ञानिक प्रयोगशाला के जानवरों, आमतौर पर चूहों में इस तकनीक का अध्ययन करते हैं। दशकों से, ये प्रयोग एक सरल लेकिन सीमित सेटअप पर निर्भर रहे हैं: एक तार जानवर को उसके पिंजरे के बाहर एक बड़ी मशीन से जोड़ता है। यह तार (टेदर) जानवर को स्वतंत्र रूप से घूमने से रोकता है, जिससे सामाजिक संपर्क जैसे स्वाभाविक व्यवहार या घर के आसपास जानवर के घूमने के तरीके का अध्ययन करना कठिन हो जाता है। हालांकि कुछ वायरलेस उपकरण मौजूद हैं, लेकिन वे अक्सर शोधकर्ताओं को लंबी बैटरी लाइफ और प्रयोग के दौरान विद्युत स्पंदों की सेटिंग्स बदलने की क्षमता के बीच किसी एक को चुनने के लिए मजबूर करते हैं।
वाशिंगटन यूनिवर्सिटी स्कूल ऑफ मेडिसिन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने के लिए FLEX-DBS नामक एक नया उपकरण बनाया है। यह एक छोटा, बैटरी से चलने वाला स्टिमुलेटर है जो चूहे के सिर के पीछे स्थित होता है, जिससे जानवर पूरी तरह से स्वतंत्र रूप से घूम सकता है। पुराने वायरलेस मॉडलों के विपरीत, जिनमें जानवर के शरीर में लगाने से पहले ही सेटिंग्स को निर्धारित करना आवश्यक होता था, यह उपकरण वैज्ञानिकों को अपने स्मार्टफोन ऐप का उपयोग करके चूहे के पिंजरे में रहते हुए भी मस्तिष्क उत्तेजना की शक्ति, गति और समय को समायोजित करने की अनुमति देता है। यह उपकरण सिर के दोनों ओर मस्तिष्क में प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोडों को विद्युत संकेत भेजता है, और एक निरंतर करंट (धारा) का उपयोग करता है जो मस्तिष्क के ऊतकों के बदलने पर भी स्थिर रहता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह उपकरण एक जोड़ी छोटी बैटरियों पर लगभग तीन दिनों तक विश्वसनीय रूप से काम करता है, जो कई प्रयोगों के लिए पर्याप्त लंबा समय है लेकिन इतना कम भी है कि बिना जानवर को नुकसान पहुँचाए बैटरियों को आसानी से बदला जा सके।
इस आविष्कार का मुख्य आधार एक चतुर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट है जो बिजली का एक स्थिर प्रवाह उत्पन्न करता है, चाहे मस्तिष्क के ऊतक कितनी भी प्रतिरोध (रेसिस्टेंस) प्रदान करें। कई पुराने सिस्टमों में, यदि मस्तिष्क के साथ कनेक्शन कठिन हो जाता, तो विद्युत धारा कम हो जाती, जिससे उपचार असंगत हो जाता। नया उपकरण एक सटीक करंट बनाए रखता है, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि मस्तिष्क स्वयं ही इस बात की सीमा तय करता है कि सिग्नल कितना मजबूत हो सकता है। जब उन्होंने जीवित चूहों के भीतर आठ सप्ताह तक इलेक्ट्रोड के विद्युत प्रतिरोध को मापा, तो उन्होंने पाया कि इसमें काफी विविधता थी, और कभी-कभी यह इतना अधिक हो जाता था कि उपकरण एक मजबूत सिग्नल भेजने में असमर्थ हो जाता था। इसका अर्थ यह है कि हालांकि यह उपकरण सैद्धांतिक रूप से बहुत मजबूत सिग्नल भेज सकता है, लेकिन वास्तविक शक्ति जो मस्तिष्क तक पहुँचती है, वह इलेक्ट्रोड और उसके आसपास के ऊतकों की स्थिति पर निर्भर करती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि उनके विशिष्ट इलेक्ट्रोडों के लिए, उपकरण विश्वसनीय रूप से उन संकेतों को दे सकता है जो व्यवहार संबंधी अध्ययनों के लिए आवश्यक रेंज के अनुरूप हैं, लेकिन यह हर जानवर में अपनी अधिकतम सैद्धांतिक शक्ति तक नहीं पहुँच सका।
यह सिद्ध करने के लिए कि उपकरण इच्छित रूप से कार्य कर रहा है, टीम ने दर्द और भावना से जुड़े मस्तिष्क क्षेत्र में इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपित किए गए चूहों पर इसका परीक्षण किया। उन्होंने उच्च सेटिंग पर उत्तेजना चालू की और चूहों को एक खुले क्षेत्र में देखा। उत्तेजना के दौरान चूहे काफी अधिक स्थिर हो गए, और डिवाइस चालू होने से पहले के आधे समय की तुलना में, उन्होंने अपना लगभग 76 प्रतिशत समय स्थिर रहकर बिताया। यह 'फ्रीजिंग' (स्थिर होने का) व्यवहार बताता है कि डिवाइस ने सफलतापूर्वक मस्तिष्क को एक मजबूत विद्युत संकेत पहुँचाया। हालांकि, शोधकर्ताओं ने सावधानीपूर्वक यह नोट किया कि बिना किसी कंट्रोल ग्रुप (जिसमें नकली उपचार दिया गया हो) के, वे इस बात के प्रति निश्चित नहीं हो सकते थे कि यह स्थिरता केवल बिजली के कारण थी या समय के साथ परीक्षण कक्ष के प्रति जानवर के अभ्यस्त होने के कारण। इस सीमा के बावजूद, प्रयोग ने पुष्टि की कि उपकरण स्वतंत्र रूप से घूमने वाले जानवर को शक्तिशाली उत्तेजना प्रदान कर सकता है।
यह नया सिस्टम इस बात का प्रतिनिधित्व करता है कि प्रयोगों को कैसे डिजाइन किया जाता है। पिछले वायरलेस उपकरण एक बार चार्ज करने पर हफ्तों या महीनों तक चलने के लिए बनाए गए थे, लेकिन उन्हें प्रयोग शुरू होने के बाद बदला नहीं जा सकता था। यह नया उपकरण अत्यधिक बैटरी लाइफ का त्याग करके वास्तविक समय में सेटिंग्स बदलने की लचीलापन प्राप्त करता है। यह अधिक बिजली की खपत करता है क्योंकि यह अपने इलेक्ट्रॉनिक्स को सक्रिय और फोन से कमांड प्राप्त करने के लिए तैयार रखता है, लेकिन यह समझौता वैज्ञानिकों को प्रत्येक व्यक्तिगत जानवर के लिए उपचार को बारीकी से ट्यून करने की अनुमति देता है। उपकरण का वजन चार ग्राम से भी कम है, जो इतना हल्का है कि चूहे पर बोझ न बने, और यह मानक, सस्ते बैटरी का उपयोग करता है जिन्हें यूनिट को थोड़े समय के लिए अलग करके बदला जा सकता है। वायरलेस स्वतंत्रता और वास्तविक समय में उत्तेजना को समायोजित करने की क्षमता को जोड़कर, यह उपकरण इस बात के अध्ययन के द्वार खोलता है कि मस्तिष्क उत्तेजना, व्यवहार, सामाजिक संपर्क और दीर्घकालिक मस्तिष्क परिवर्तनों को कैसे प्रभावित करती है।
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