Ultra-Micro Electrodes Enable Low-Current Amplitude Discrimination in Intracortical Microstimulation
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि अल्ट्रा-माइक्रोइलेक्ट्रोड्स (5–10 µm) सुरक्षित चार्ज इंजेक्शन सीमाओं के भीतर निचले संदर्भ आयामों पर कार्य करते हुए आनुपातिक साइकोफिजिकल स्केलिंग को बनाए रखते हुए, चूहों में बेहतर आयाम विभेदन के साथ निम्न-थ्रेशोल्ड इंट्राकोर्टिकल माइक्रोस्टिमुलेशन को सक्षम करते हैं।
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कल्पना कीजिए कि आप एक ऐसे रोबोटिक हाथ को नियंत्रित करने की कोशिश कर रहे हैं जो कुछ भी महसूस नहीं कर सकता। स्पर्श, दबाव या बनावट को महसूस करने की क्षमता के बिना, ऐसे उपकरण का उपयोग करना अनाड़ीपन और निराशाजनक होता है, जैसे मोटे दस्ताने पहनकर सुई में धागा पिरोने की कोशिश करना। दशकों से, वैज्ञानिक कृत्रिम अंगों को स्पर्श की अनुभूति देने के लिए मस्तिष्क के संवेदी केंद्र से सीधे जुड़ने के तरीके पर काम कर रहे हैं। वे ऐसा मस्तिष्क को सूक्ष्म विद्युत स्पंद (इलेक्ट्रिकल पल्स) भेजकर करते हैं, इस उम्मीद में कि वे इसे वास्तविक संवेदना महसूस करने के लिए प्रेरित कर सकें। लक्ष्य एक ऐसी प्रणाली बनाना है जहाँ एक व्यक्ति हल्के स्पर्श और मजबूत पकड़ के बीच अंतर महसूस कर सके, ठीक वैसे ही जैसे वह एक जैविक हाथ के साथ कर सकता है। इसे सफल बनाने के लिए, विद्युत संकेत इतने सटीक होने चाहिए कि वे तीव्रता के सूक्ष्म परिवर्तनों के बीच अंतर कर सकें, फिर भी इतने सुरक्षित हों कि नाजुक मस्तिष्क ऊतकों को नुकसान पहुँचाए बिना रोज़ाना उपयोग किए जा सकें।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में इस क्षेत्र में एक विशिष्ट पहेली को सुलझाने का प्रयास किया: विद्युत संपर्क बिंदु (कॉन्टैक्ट पॉइंट) का आकार मस्तिष्क की दो उत्तेजना स्तरों के बीच अंतर करने की क्षमता को कैसे प्रभावित करता है? उन्होंने सोचा कि क्या संपर्क बिंदु को छोटा करने से संवेदना पर अधिक बारीक और विस्तृत नियंत्रण प्राप्त किया जा सकता है। इस उत्तर को खोजने के लिए, उन्होंने छह चूहों के मस्तिष्क में कस्टम-मेड इलेक्ट्रोड एरे (इलेक्ट्रोडों का समूह) प्रत्यारोपित किए। ये एरे अद्वितीय थे क्योंकि प्रत्येक में आठ अलग-अलग संपर्क बिंदु थे, जो बहुत छोटे से लेकर अपेक्षाकृत बड़े तक थे, जिससे वैज्ञानिकों को एक ही जानवर के भीतर इन सभी का परीक्षण करने की अनुमति मिली। बारह सप्ताह के दौरान, चूहों ने एक सरल खेल सीखा: उन्हें यह पता लगाना था कि कब एक विशिष्ट विद्युत स्पंद मानक स्पंद की तुलना में थोड़ा अधिक शक्तिशाली है। यदि उन्होंने अंतर को पहचान लिया, तो वे एक हल्के झटके से बच सकते थे; यदि वे चूक गए, तो उन्हें झटका दिया जाता था। इस प्रशिक्षण ने शोधकर्ताओं को यह मापने में सक्षम बनाया कि चूहे कितनी कम विद्युत धारा (करंट) के अंतर को विश्वसनीय रूप से महसूस कर सकते हैं।
परिणामों ने एक स्पष्ट पैटर्न का खुलासा किया। जब शोधकर्ताओं ने बहुत छोटे संपर्क बिंदुओं का उपयोग किया, जो केवल पांच से दस माइक्रोमीटर चौड़े थे, तो चूहे विद्युत तीव्रता में बहुत छोटे बदलावों को पहचानने में सक्षम थे। इसके विपरीत, जब बड़े संपर्कों का उपयोग किया गया, तो चूहों को अंतर महसूस करने के लिए विद्युत धारा में बहुत बड़ा उछाल चाहिए था। पहली नज़र में, ऐसा लग सकता है कि संपर्क बिंदु का छोटा आकार ही इस बढ़ी हुई संवेदनशीलता का रहस्य था। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि असली कारण धातु के सिरे का आकार नहीं, बल्कि वह मात्रा थी जो वह सुरक्षित रूप से ले जा सकता था। चूंकि सबसे छोटे संपर्क बहुत नाजुक होते हैं, इसलिए वे मस्तिष्क को नुकसान पहुँचाने के जोखिम के बिना बहुत कम स्तर की विद्युत धारा ही संभाल सकते हैं। बड़े संपर्क, अधिक मजबूत होने के कारण, उच्च करंट स्तरों पर परीक्षण किए गए थे। अध्ययन ने दिखाया कि दो संकेतों के बीच अंतर करने की क्षमता इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करती है कि आधारभूत (बेसलाइन) सिग्नल कितना मजबूत है। जब बेसलाइन कम होती है, तो मस्तिष्क सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगा सकता है; जब बेसलाइन उच्च होती है, तो मस्तिष्क को अंतर पहचानने के लिए एक बड़े परिवर्तन की आवश्यकता होती है।
यह निष्कर्ष महत्वपूर्ण है क्योंकि यह पुष्टि करता है कि मस्तिष्क तीव्रता को महसूस करने के लिए एक सुसंगत नियम का पालन करता है, चाहे सिग्नल देने वाला उपकरण कोई भी हो। शोधकर्ताओं ने पाया कि चूहों की संकेतों को पहचानने की क्षमता सिग्नल की ताकत के अनुपात में बदलती है, जिसे मनोविज्ञान में वेबर का नियम (Weber's law) कहा जाता है। चाहे संपर्क छोटा हो या बड़ा, मस्तिष्क की संवेदनशीलता करंट के स्तर के समानुपाती बनी रही। इसलिए, अति-लघु संपर्कों का लाभ यह नहीं है कि वे मस्तिष्क के काम करने के तरीके को बदलते हैं, बल्कि यह है कि वे सिस्टम को मस्तिष्क की सुरक्षित सीमाओं के भीतर बहुत कम, सुरक्षित करंट स्तरों पर संचालित करने की अनुमति देते हैं। इन निचले स्तरों पर काम करके, छोटे संपर्क स्पर्श की एक विस्तृत श्रृंखला की संवेदनाएं पैदा कर सकते हैं।
यह समझने के लिए कि मस्तिष्क के भीतर वास्तव में क्या हो रहा था, टीम ने एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया जो यह सिम्युलेट करता है कि हजारों व्यक्तिगत मस्तिष्क कोशिकाएं विद्युत स्पंदों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करेंगी। उन्होंने इस बारे में विभिन्न सिद्धांतों का परीक्षण किया कि मस्तिष्क इन संकेतों की व्याख्या कैसे कर सकता है, जैसे कि सक्रिय कोशिकाओं की कुल संख्या गिनना या समूह की औसत फायरिंग दर को मापना। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि मस्तिष्क संभवतः इन कारकों के संयोजन का उपयोग करता है: यह इस बात पर ध्यान देता है कि कितने न्यूरॉन्स सक्रिय हुए और वे कितनी तीव्रता से फायर (सक्रिय) हो रहे हैं। मॉडल ने यह भी दिखाया कि मस्तिष्क ऊतक के भीतर इलेक्ट्रोड की विशिष्ट गहराई ने प्रतिक्रिया की परिवर्तनशीलता को प्रभावित किया, जिससे यह समझाने में मदद मिली कि विभिन्न जानवरों ने थोड़े अलग थ्रेशोल्ड (सीमा) क्यों दिखाए।
अंततः, यह कार्य सुझाव देता है कि प्रोस्थेटिक्स के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाले संवेदी फीडबैक का मार्ग अत्यंत छोटे इलेक्ट्रोडों का उपयोग करने में निहित है। इन नन्हे संपर्कों को संकेतों की व्याख्या करने के लिए मस्तिष्क के नए तरीके को आविष्कार करने की आवश्यकता नहीं है; वे बस सिस्टम को उस रेंज में संचालित करने की अनुमति देते जहाँ मस्तिष्क की प्राकृतिक संवेदनशीलता सबसे तीव्र होती है। कम और सुरक्षित विद्युत धाराओं को बनाए रखकर, ये अल्ट्रा-माइक्रोइलेक्ट्रोड उत्तेजना के एक विशाल संख्या में अलग-अलग स्तरों का समर्थन कर सकते हैं, जिससे भविष्य में मस्तिष्क-नियंत्रित अंगों का उपयोग करने वाले लोग स्पर्श की एक समृद्ध और सूक्ष्म दुनिया को महसूस कर सकेंगे। यह अध्ययन अगली पीढ़ी के संवेदी न्यूरोप्रोस्थेटिक्स को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है, यह सिद्ध करता है कि छोटे, सुरक्षित संपर्क स्पर्श की अधिक स्वाभाविक और विस्तृत अनुभूति की ओर ले जा सकते हैं।
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