Ultra-high-efficacy Wireless Neuromodulation Using a Conductive Ring Interface
यह शोध पत्र एक अब-इनिटियो (ab-initio) भौतिकी अध्ययन और कोम्सोल (COMSOL) सिमुलेशन प्रस्तुत करता है जो यह प्रदर्शित करता है कि एक प्रवाहकीय वलय-आकार का इम्प्लांट (conductive ring-shaped implant), कम तीव्रता वाले एसी (AC) चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से एक छोटे अंतराल में मजबूत विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करके, अति-उच्च-प्रभावकारिता और अत्यधिक स्थानीयकृत वायरलेस न्यूरोमॉड्यूलेशन प्राप्त कर सकता है, जो पारंपरिक ट्रांसक्रानियल मैग्नेटिक स्टिमुलेशन (transcranial magnetic stimulation) का एक काफी अधिक कुशल विकल्प प्रदान करता है।
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द दशकों से, डॉक्टर पार्किंसन रोग के कंपन को शांत करने, गंभीर अवसाद के भार को कम करने और पुराने दर्द को प्रबंधित करने के लिए बिजली का उपयोग करते आए हैं। मानक विधि में सीधे मस्तिष्क या तंत्रिकाओं (नर्व्स) में इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपित करना शामिल है, जो तारों के माध्यम से एक बैटरी से चलने वाले उपकरण से जुड़े होते हैं। हालांकि यह प्रभावी है, लेकिन इस दृष्टिकोण में सर्जिकल जोखिम शामिल हैं और यह सीमित करता है कि बिजली कहाँ पहुँचाई जा सकती है। अन्य विधियाँ त्वचा के माध्यम से चुंबकीय क्षेत्रों या ध्वनि तरंगों को भेजकर सर्जरी से बचने की कोशिश करती हैं, लेकिन इन तकनीकों में अक्सर सटीकता की कमी होती है, क्योंकि वे एक विशिष्ट तंत्रिका के बजाय ऊतकों के बड़े क्षेत्रों को उत्तेजित करती हैं, और उन्हें अत्यधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है जो उन्हें रोजमर्रा की जिंदगी में उपयोग करने में कठिन बनाती है। मुख्य चुनौती यही बनी हुई है: शरीर के भीतर एक बहुत छोटे बिंदु पर, बिना गहरा कट लगाए या किसी भारी बाहरी मशीन का उपयोग किए, एक शक्तिशाली और लक्षित विद्युत संकेत कैसे पहुँचाया जाए।
मियामी विश्वविद्यालय और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक नया तरीका प्रस्तावित किया है, जिसमें एक कमजोर चुंबकीय क्षेत्र को एक मजबूत, स्थानीयकृत विद्युत चिंगारी में बदलने के लिए एक सरल भौतिक सिद्धांत का उपयोग किया गया है। कंप्यूटर मॉडलिंग और चूहों पर प्रारंभिक परीक्षणों द्वारा समर्थित उनके काम से पता चलता है कि शरीर के पास प्रत्यारोपित एक छोटा, छल्ले के आकार का चालक (कंडक्टर), एक अत्यधिक कुशल रिसीवर के रूप में कार्य कर सकता है। जब इसे शरीर के बाहर पहने जाने वाले उपकरण से निकलने वाले एक सौम्य, तेजी से बदलते चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में लाया जाता है, तो वह छल्ला ऊर्जा को पकड़ लेता है और उसे स्वयं के भीतर एक सूक्ष्म अंतराल (गैप) में केंद्रित कर देता है। ऊर्जा का यह संकेंद्रण उस अंतराल पर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र बनाता है, जो तंत्रिका को उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त है, जबकि आसपास का शेष ऊतक अछूता रहता है।
इस मूल विचार का आधार चालक लूप (conductive loops) में बिजली का व्यवहार है। जब एक तार के लूप के पास चुंबकीय क्षेत्र बदलता है, तो यह इलेक्ट्रॉन्स को लूप के चारों ओर धकेलता है, जिससे करंट उत्पन्न होता है। एक पारंपरिक सेटअप में, यह करंट शरीर के प्राकृतिक ऊतकों के माध्यम से फैलता है, जो बिजली के संचालन में बहुत अच्छे नहीं होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक कमजोर संकेत मिलता है जो जल्दी ही क्षीण हो जाता है। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यदि वे एक ऐसा लूप रखते जो शरीर के ऊतकों की तुलना में बिजली के संचालन में बहुत बेहतर सामग्री से बना हो, तो करंट रिंग के माध्यम से बहना पसंद करेगा। उन्होंने जानबूझकर इस रिंग में एक छोटा सा अंतराल या गैप छोड़ दिया, जिससे वे उस एकत्रित ऊर्जा को उस छोटे से खुले स्थान के माध्यम से कूदने के लिए मजबूर कर सकें। चूंकि अंतराल बहुत संकीर्ण है, इसलिए विद्युत क्षेत्र वहीं अत्यंत तीव्र हो जाता है, जबकि बाकी का रिंग बिना किसी प्रतिरोध के करंट को प्रवाहित करता है।
इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए, टीम ने मानव ऊतक के मॉडल में रखे गए एक रिंग-आकार के इंटरफेस का विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया, जो लगभग एक छोटे सिक्के के आकार का था। उन्होंने कल्पना की कि रिंग एक बायो-कम्पैटिबल कंडक्टिव पॉलीमर से बनी है, जो एक ऐसी सामग्री है जो शरीर के लिए सुरक्षित है और शरीर के ऊतकों की तुलना में बिजली का संचालन बहुत बेहतर तरीके से करती है। उन्होंने रिंग में गैप को लगभग 0.3 मिलीमीटर चौड़ा रखा, जो एक परिधीय तंत्रिका (peripheral nerve) के खंड के समान आकार है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जब उन्होंने 10 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर केवल 1 किलोएम्पीयर प्रति मीटर का चुंबकीय क्षेत्र लागू किया, तो सूक्ष्म अंतराल में विद्युत क्षेत्र बढ़कर लगभग 50 वोल्ट प्रति मीटर हो गया। तीव्रता का यह स्तर एक तंत्रिका को उत्तेजित करने के लिए पर्याप्त है। इसके विपरीत, बिना रिंग के वर्तमान चुंबकीय उत्तेजना तकनीकों का उपयोग करके समान प्रभाव प्राप्त करने के लिए, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र कम से कम एक हजार गुना अधिक मजबूत होना चाहिए।
शोधकर्ताओं ने पाया कि रिंग का आकार और वह किस सामग्री से बनी है, इस प्रणाली की दक्षता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। जैसे-जैसे आसपास के ऊतकों के सापेक्ष रिंग सामग्री की चालकता बढ़ती है, अंतराल में विद्युत क्षेत्र और मजबूत होता जाता है। उन्होंने यह भी खोजा कि रिंग को एक निश्चित सीमा तक थोड़ा बड़ा बनाने से और भी कम चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करने की अनुमति मिलती है, जिससे बाहरी उपकरण से आवश्यक शक्ति और कम हो जाती है। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि लगभग 10 मिलीमीटर की त्रिज्या वाला एक रिंग 1 किलोएम्पीयर प्रति मीटर के चुंबकीय क्षेत्र के साथ भी आवश्यक उत्तेजना उत्पन्न कर सकता है। यह एक महत्वपूर्ण कमी है, जो आवश्यक शक्ति को सामान्य वायरलेस फोन चार्जर में उपयोग की जाने वाली शक्ति के स्तर तक ले आती है, जिससे एक पहनने योग्य, बैटरी से चलने वाले स्टिमुलेटर का विचार बहुत अधिक व्यावहारिक हो जाता है।
कंप्यूटर मॉडल से परे, टीम ने यह देखने के लिए जीवित चूहों पर प्रारंभिक प्रयोग किए कि क्या भौतिकी वास्तविक जैविक प्रणाली में भी काम करती है। उन्होंने देखा कि सेटअप ने सफलतापूर्वक लक्षित तंत्रिका को ट्रिगर किया, जिससे पुष्टि हुई कि सैद्धांतिक निम्न-क्षेत्र चुंबकीय स्पंद वास्तव में 'सुप्रथ्रेशोल्ड फायरिंग' को प्रेरित कर सकते हैं। इन शुरुआती परिणामों ने पुष्टि की कि दक्षता में सैद्धांतिक वृद्धि वास्तविक थी और यह दृष्टिकोण कंप्यूटर के बाहर भी काम कर सकता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि चूंकि इम्प्लांट में कोई सक्रिय इलेक्ट्रॉनिक्स, कोई बैटरी और कोई गतिशील भाग नहीं है, इसलिए यह एक निष्क्रिय (पैसिव) उपकरण है जिसे प्रत्यारोपित करना सरल है और इसके यांत्रिक घिसावट या बिजली की कमी के कारण विफल होने की संभावना कम है।
अध्ययन में सुरक्षा संबंधी चिंताओं, विशेष रूप से गर्मी के संबंध में भी चर्चा की गई। चूंकि रिंग निष्क्रिय है, इसलिए यह केवल चुंबकीय क्षेत्र से ऊर्जा प्राप्त करती है, और उस ऊर्जा का अधिकांश हिस्सा उत्तेजना के लिए आवश्यक विद्युत क्षेत्र में परिवर्तित हो जाता है न कि गर्मी में। शोधकर्ताओं ने गणना की कि सबसे खराब स्थिति में भी, जहाँ सारी ऊर्जा गर्मी में बदल जाती है, इम्प्लांट में तापमान वृद्धि इतनी कम होगी—एक दस लाखवें डिग्री से भी कम—कि यह पता लगाने योग्य नहीं होगी और आसपास के ऊतकों को जलाने का कोई जोखिम नहीं होगा। यह थर्मल सुरक्षा, कमजोर चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करने की क्षमता के साथ मिलकर, यह सुझाव देती है कि इस उपकरण को बिना किसी नुकसान के लंबे समय तक आराम से पहना जा सकता है।
हालांकि वर्तमान कार्य परिधीय तंत्रिकाओं (peripheral nerves) पर केंद्रित है, लेखक सुझाव देते हैं कि इसी सिद्धांत को अंततः केंद्रीय तंत्रिका तंत्र (central nervous system) पर भी लागू किया जा सकता है या शरीर के एक विशिष्ट क्षेत्र में बिखरे हुए छोटे, स्वायत्त उत्तेजकों के नेटवर्क बनाने के लिए स्केल किया जा सकता है। इस पद्धति का मुख्य लाभ उच्च सटीकता के साथ ऊर्जा को केंद्रित करने की इसकी क्षमता है, जो उन "ऑफ-टारगेट" प्रभावों से बचती है जो वर्तमान चुंबकीय उपचारों को प्रभावित करते हैं। चुंबकीय ऊर्जा को एक छोटे से अंतराल में केंद्रित करके, यह प्रणाली नियंत्रण का एक ऐसा स्तर प्राप्त करती है जो बिना आक्रामक वायरिंग या विशाल बाहरी उपकरणों के पहले असंभव था। यह शोध चिकित्सा उपकरणों की एक नई पीढ़ी की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रस्तुत करता है जो छोटे, सुरक्षित और उपचार को ठीक वहीं पहुँचाने में सक्षम हैं जहाँ इसकी आवश्यकता है, जो भविष्य में रोगियों को न्यूरोमोड्यूलेशन प्रदान करने के तरीके को बदलने की क्षमता रखते हैं।
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