Stimulation-Stability and Preclinical Bench Testing of a New Auditory Nerve Interface

गंभीर श्रवण हानि (hearing loss) के साथ जीने वाले लाखों लोगों के लिए, कोक्लियर इम्प्लांट का वादा एक जीवन रेखा की तरह है। ये उपकरण, जिन्हें अक्सर अब तक की सबसे सफल न्यूरल इंटरफेस तकनीक कहा जाता है, कान के क्षतिग्रस्त हिस्सों को बायपास करके सीधे श्रवण तंत्रिका (auditory nerve) तक विद्युत संकेत भेजते हैं, जिससे मस्तिष्क ध्वनि को महसूस कर पाता है। हालाँकि, अपनी सफलता के बावजूद, इन इम्प्लांट्स की एक सीमा है। जहाँ ये शांत कमरों में बोलने की क्षमता को बहाल करते हैं, वहीं जब बैकग्राउंड शोर बढ़ जाता है या संगीत की बारीकियों का आनंद लेने की कोशिश की जाती है, तो इनका अनुभव अक्सर उम्मीदों पर खरा नहीं उतरता। यह सीमा इस बात से उत्पन्न होती है कि ये उपकरण कैसे काम करते हैं: वे आंतरिक कान के हड्डी वाले खोल के भीतर स्थित होते हैं और उन्हें तंत्रिका तक पहुँचने के लिए उस कठोर हड्डी के माध्यम से विद्युत धारा को धकेलना पड़ता है। यह किसी व्यक्ति से एक मोटी दीवार के माध्यम से बात करने की कोशिश करने जैसा है; संकेत फैल जाता है, जिससे विशिष्ट तंत्रिका तंतुओं (nerve fibers) को सटीकता से लक्षित करना कठिन हो जाता है।

इस बाधा को तोड़ने के लिए, शोधकर्ता एक नए प्रकार के श्रवण प्रोस्थेसिस (hearing prosthesis) को विकसित कर रहे हैं जो हड्डी के माध्यम से करंट धकेलने पर निर्भर नहीं करता है। इसके बजाय, इस नए दृष्टिकोण में सूक्ष्म सुइयों का एक छोटा सा एरे (array) शामिल है जो सीधे श्रवण तंत्रिका में प्रवेश करता है। इलेक्ट्रोड को सीधे तंत्रिका ऊतक (nerve tissue) के भीतर रखकर, इस उपकरण का लक्ष्य व्यक्तिगत तंत्रिका तंतुओं को सर्जिकल सटीकता के साथ उत्तेजित करना है, जो संभावित रूप से शोर वाले वातावरण में जटिल ध्वनियों और भाषण को सुनने की क्षमता को अनलॉक कर सकता है। लेकिन इस तरह के नाजुक उपकरण को मनुष्यों पर परीक्षण करने से पहले, इसे यह सिद्ध करना होगा कि यह विफल हुए बिना वर्षों तक मानव शरीर के कठोर वातावरण में जीवित रह सकता है। उपकरण को तरल पदार्थ में स्थिर रहना चाहिए और अरबों विद्युत स्पंदों (pulses) को छोड़ते समय भी सक्षम होना चाहिए, जो एक ऐसी आवश्यकता है जिसके लिए किसी भी मरीज को शामिल करने से बहुत पहले कठोर परीक्षण की आवश्यकता होती है।

इंजीनियरों और वैज्ञानिकों की एक टीम ने हाल ही में एक नए संस्करण के इस भेदने वाले तंत्रिका इंटरफेस (penetrating nerve interface) को बेंचटॉप परीक्षणों की एक श्रृंखला के माध्यम से परखा, जिसे कुछ ही हफ्तों में वर्षों के उपयोग का अनुकरण (simulate) करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। यह उपकरण, जो कई विश्वविद्यालयों और चिकित्सा प्रौद्योगिकी कंपनियों का एक सहयोग है, एक छोटा सिलिकॉन चिप है जिसमें पंद्रह सूक्ष्म प्रोंग्स (prongs) हैं, जिन्हें 'शैंक्स' (shanks) कहा जाता है, जिनमें से प्रत्येक के सिरे पर एक धातु का इलेक्ट्रोड लगा होता है। इन प्रोंग्स को श्रवण तंत्रिका में डाला जाना है, जो लगभग एक मानव बाल जितनी चौड़ी होती है। चिप एक लचीले, कुंडलित तार (coiled wire) द्वारा एक स्टिमुलेटर से जुड़ी होती है, जो वर्तमान में मानक कोक्लियर इम्प्लांट्स में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों के समान है। शोधकर्ता दो महत्वपूर्ण बातें जानना चाहते थे: क्या शरीर जैसे तरल पदार्थ में डेढ़ साल तक भीगे रहने पर उपकरण एकजुट रहेगा, और क्या इलेक्ट्रोड मानव परीक्षण में अपेक्षित अधिकतम तीव्रता पर विद्युत स्पंदों को छोड़ने के तनाव को झेल पाएंगे?

पहले प्रश्न का उत्तर देने के लिए, टीम ने तीन पूरी तरह से असेंबल किए गए उपकरणों को सीलबंद कंटेनरों के अंदर नमक के घोल (saltwater solution) में डुबो दिया। उन्होंने उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को तेज करने के लिए कंटेनरों को शरीर के तापमान से काफी अधिक तापमान पर गर्म किया। इस तकनीक को 'थर्मल एक्सेलेरेटेड एजिंग' (thermal accelerated aging) कहा जाता है, जिसने उन्हें कुछ ही महीनों में 1.5 वर्ष के विसर्जन का अनुकरण करने की अनुमति दी। उन्होंने प्रत्येक इलेक्ट्रोड की विद्युत प्रतिरोध (electrical resistance) की दैनिक निगरानी की, ताकि यह देखा जा सके कि कनेक्शन टूट तो नहीं रहा है या धातु का क्षरण (corrosion) तो नहीं हो रहा है। साथ ही, उन्होंने इलेक्ट्रोड के सिरों की भौतिक स्थिति देखने के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली तस्वीरें लेने के लिए शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया, ताकि यह जांचा जा सके कि भिगोने से पहले और बाद में कोई दरार, छिलना या नाजुक धातु की कोटिंग को नुकसान तो नहीं पहुँचा है।

भिगोने के परीक्षण के परिणाम उत्साहजनक थे। सिम्युलेटेड 1.5-वर्षीय अवधि के अंत तक, प्रत्येक इलेक्ट्रोड विद्युत रूप से कार्यात्मक बना रहा। हालांकि कुछ इलेक्ट्रोड्स में प्रतिरोध में अस्थायी उछाल आया जो सुरक्षा सीमा को पार कर गया, लेकिन वे सभी स्थिरता के स्तर पर वापस आ गए जो विफलता बिंदु से काफी नीचे था। जब शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी के नीचे इलेक्ट्रोड्स को देखा, तो उन्होंने पाया कि अधिकांश में बहुत कम बदलाव आया था। हालाँकि, उन्होंने यह भी देखा कि परीक्षण के लिए उपयोग किए गए कुछ उपकरणों में पहले से ही खामियां थीं, जैसे कि धातु की कोटिंग थोड़ी मुड़ी हुई थी या सिरे चिप हुए थे। इन शुरुआती खामियों के बावजूद, इलेक्ट्रोड्स उल्लेखनीय रूप से मजबूत रहे, जिससे पता चलता है कि डिजाइन आंतरिक कान के दीर्घकालिक वातावरण को संभालने के लिए पर्याप्त मजबूत है।

दूसरे चरण के परीक्षण ने उपकरण को और भी अधिक कठिन चुनौती दी, जो दैनिक उपयोग के एक पूरे वर्ष के विद्युत तनाव का अनुकरण कर रहा था। शोधकर्ताओं ने उपकरणों को अरबों बार विद्युत स्पंद छोड़ने के लिए प्रोग्राम किया, जो एक रोगी द्वारा एक वर्ष में अनुभव किए जाने वाले अनुभव से कहीं अधिक है। उन्होंने दो स्थितियों का परीक्षण किया: एक मानक, सुरक्षित करंट स्तर का उपयोग करते हुए जो मानव परीक्षणों के लिए लक्षित है, और दूसरा बारह गुना अधिक करंट का उपयोग करते हुए यह देखने के लिए कि उपकरण अपने टूटने के बिंदु के कितने करीब जा सकता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या तीव्र बिजली के बमबारी के तहत इलेक्ट्रोड्स खराब होंगे, टूटेंगे या काम करना बंद कर देंगे।

मानक स्थिति में, इलेक्ट्रोड्स ने त्रुटिहीन प्रदर्शन किया। एक भी विफल नहीं हुआ, और उनके विद्युत गुण वास्तव में समय के साथ थोड़े बेहतर हुए, जो एक ऐसी घटना है जो अक्सर इलेक्ट्रोड्स के पहली बार उपयोग किए जाने पर देखी जाती है। उच्च-तीव्रता वाला परीक्षण अधिक जानकारी देने वाला था। अत्यधिक करंट के तहत परीक्षण किए गए कई इलेक्ट्रोड्स में से केवल एक में अचानक विफलता देखी गई, लेकिन आगे की जांच से पता चला कि यह इलेक्ट्रोड के घिसने के बजाय उपकरण के भीतर एक टूटे हुए तार के कारण था। कुछ अन्य इलेक्ट्रोड्स ने मामूली टूट-फूट के संकेत दिखाए, जैसे कि धातु का सिरा थोड़ा छिल जाना या अंतर्निहित सिलिकॉन का गोल हो जाना, लेकिन ये परिवर्तन धीमे और सीमित थे। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि नुकसान सबसे अधिक उन इलेक्ट्रोड्स पर होने की संभावना थी जो परीक्षण शुरू होने से पहले ही चिप हुए या क्षतिग्रस्त थे, जो दर्शाता है कि विनिर्माण गुणवत्ता (manufacturing quality) दीर्घकालिक अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि उपकरण आसपास के तरल पदार्थ में घुल नहीं रहा है, टीम ने परीक्षणों के बाद नमक के घोल का भी विश्लेषण किया। उन्होंने इलेक्ट्रोड्स में उपयोग की जाने वाली धातुओं, जैसे कि इरिडियम, प्लैटिनम और गोल्ड के सूक्ष्म अंशों की तलाश की। पाए गए मात्रा इतनी कम थी कि वे मुश्किल से पता लगाने योग्य थे, जो पुष्टि करता है कि उपकरण शरीर में महत्वपूर्ण सामग्री नहीं छोड़ रहा है। यह एक महत्वपूर्ण सुरक्षा निष्कर्ष है, क्योंकि यह सुझाव देता है कि उपकरण वर्षों के उत्तेजना के बाद भी जहरीले उपोत्पादों (toxic byproducts) को जारी नहीं करेगा।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह नया श्रवण तंत्रिका इंटरफेस मानव परीक्षण की ओर बढ़ने के लिए पर्याप्त स्थिर है। इलेक्ट्रोड डेढ़ साल के भिगोने और एक पूर्ण वर्ष के तीव्र विद्युत उत्तेजना के बराबर सहन कर सकते हैं। जबकि शोधकर्ताओं ने पहचान की कि कुछ प्रारंभिक विनिर्माण दोष, जैसे चिप हुए सिरे या मुड़ी हुई धातु, उपकरण को अधिक संवेदनशील बना सकते हैं, उन्होंने इन मुद्दों को समाप्त करने के लिए अपने उत्पादन प्रक्रिया में पहले से ही छोटे बदलाव कर दिए हैं। डेटा बताता है कि इन सुधारों के साथ, उपकरण मनुष्यों के परीक्षण के लिए तैयार है, जो एक ऐसे भविष्य के लिए मार्ग प्रशस्त करता है जहाँ श्रवण हानि का उपचार उस स्तर की सटीकता के साथ किया जा सकता है जिसे वर्तमान तकनीक प्राप्त नहीं कर सकती। लाखों रोगियों के लिए जटिल श्रवण को बहाल करने का मार्ग अंततः स्पष्ट हो सकता है, जो इस शांत, कठोर प्रमाण पर आधारित है कि उपकरण लंबे समय तक टिके रहने में सक्षम है।