Programmable dendrite-inspired organic electrodes for neuronal interfacing
यह शोध पत्र नियंत्रित इलेक्ट्रोडिपोजिशन के माध्यम से निर्मित प्रोग्रामेबल, डेंड्राइट-प्रेरित ऑर्गेनिक माइक्रोइलेक्ट्रोड्स को प्रस्तुत करता है जो पदानुक्रमित शाखाओं (hierarchical branching), बेहतर झिल्ली अनुरूपता (membrane conformability) और बाह्यकोशिकीय रिकॉर्डिंग एवं स्थानीयकृत अंतःकोशिकीय-समान पहुंच दोनों को सहारा देने की क्षमता के माध्यम से न्यूरोनल कपलिंग को बढ़ाते हैं।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। यह एक ऐसे प्रीप्रिंट की AI से तैयार की गई व्याख्या है जिसकी अभी सहकर्मी समीक्षा नहीं हुई है। यह चिकित्सकीय सलाह नहीं है। इस सामग्री के आधार पर स्वास्थ्य संबंधी फैसले न लें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मस्तिष्क जीवित कोशिकाओं का एक कोमल, गीला और निरंतर बदलते रहने वाला परिदृश्य है, जबकि वे उपकरण जिनका उपयोग हम इसे सुनने के लिए करते हैं, वे आमतौर पर कठोर, सपाट और अनम्य होते हैं। दशकों से, वैज्ञानिकों ने इस अंतर को पाटने की कोशिश की है, नाजuk तंत्रिका ऊतकों (nerve tissue) से कठोर धातु या सिलिकॉन सेंसर जोड़कर। समस्या यह है कि ये दो दुनिया आपस में अच्छी तरह से मेल नहीं खातीं। कठोर उपकरण कोमल ऊतक पर दबाव डालता है, जिससे शरीर एक निशान (scar) बनाने की प्रतिक्रिया करता है जो सेंसर को अलग कर देता है, ठीक वैसे ही जैसे त्वचा के नीचे एक फाँस (splinter) फंस जाती है। यह अवरोध समय के साथ संकेत को कमजोर कर देता है, जिससे न्यूरॉन्स की हल्की विद्युत फुसफुसाहट को स्पष्ट रूप से सुनना कठिन हो जाता है। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने नरम, प्लास्टिक जैसे पदार्थों की ओर रुख किया जो मस्तिष्क के साथ हिल-डुल सकें, लेकिन ये नरम पदार्थ भी अक्सर सपाट रहते हैं, जिससे सेंसर और कोशिका झिल्ली (cell membrane) के बीच एक छोटा सा खाली अंतराल रह जाता है। वह अंतराल एक बाधा के रूप में कार्य करता है, जो जुड़ाव को धुंधला कर देता है। आधुनिक न्यूरोटेक्नोलॉजी का लक्ष्य एक ऐसा सेंसर बनाना है जो केवल एक न्यूरॉन के ऊपर न बैठे, बल्कि उसे गले लगाए, एक ऐसा गहरा और निर्बाव बंधन बनाए जो शरीर की रक्षा प्रणाली को सक्रिय किए बिना स्पष्ट संचार की अनुमति दे सके।
जुलिच रिसर्च सेंटर, जर्मनी और इटली इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का इलेक्ट्रोड बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो स्वयं एक न्यूरॉन की शाखा संरचना की नकल करता है। एक सपाट सतह के बजाय, उन्होंने अपने सेंसरों पर सीधे चालक बहुलक (conductive polymer) से बने छोटे, पेड़ जैसे रेशों को उगाया। ये रेशे, जो एक पेड़ की शाखाओं या एक तंत्रिका कोशिका के विस्तार की तरह दिखते हैं, उन्हें उन न्यूरॉन्स द्वारा छुआ और लपेटा जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है जिन्हें उन्हें मापना है। विकास प्रक्रिया के दौरान विद्युत स्थितियों को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वैज्ञानिक इन रेशों के आकार, आकृति और जटिलता को प्रोग्राम कर सके, जिससे एक साधारण सपाट पैड को एक त्रि-आयामी, शाखा संरचना में बदल दिया गया जो कोशिका को करीब आने के लिए आमंत्रित करती है।
शोधकर्ताओं ने इन संरचनाओं को इलेक्ट्रोडिपोजिशन (electrodeposition) नामक प्रक्रिया का उपयोग करके उगाया, जहाँ उन्होंने बहुलक के निर्माण खंडों वाले घोल पर विशिष्ट विद्युत स्पंद (electrical pulses) लागू किए। वोल्टेज, स्पंदों की गति और विकास की अवधि को समायोजित करके, वे यह निर्धारित कर सके कि रेशे कैसे बनते हैं। उन्होंने परीक्षण के लिए तीन अलग-अलग प्रकार की सतहें बनाईं: एक सपाट, द्वि-आयामी कोटिंग; एक संस्करण जिसमें छोटे, मोटे रेशे थे; और एक संस्करण जिसमें लंबे, जटिल, शाखाओं वाले रेशे थे। इन संरचनाओं को न्यूरॉन के अपने विकास के विभिन्न चरणों को दर्शाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, एक सरल कोशिका शरीर से लेकर पूरी तरह विकसित शाखाओं के नेटवर्क तक। टीम ने पाया कि केवल विद्युत सेटिंग्स को बदलकर, वे इन विभिन्न आकृतियों के बीच विश्वसनीय रूप से स्विच कर सकते थे, जिससे यह सिद्ध हुआ कि इलेक्ट्रोड के भौतिक रूप को कंप्यूटर कोड की तरह प्रोग्राम किया जा सकता है।
जब इन नए इलेक्ट्रोडों को चूहों की जीवित मस्तिष्क कोशिकाओं के संपर्क में रखा गया, तो कोशिकाओं और सतह के बीच की अंतःक्रिया में अंतर चौंकाने वाला था। सपाट इलेक्ट्रोडों पर, कोशिकाएं उनके ऊपर बैठी थीं, लेकिन कोशिका झिल्ली और सेंसर के बीच एक स्पष्ट अंतर बना रहा। हालांकि, फाइबर-कवर्ड इलेक्ट्रोडों पर, कोशिकाओं ने अलग व्यवहार किया। न्यूरॉन्स ने अपने स्वयं के सूक्ष्म विस्तार, जिन्हें न्यूराइट्स (neurites) कहा जाता है, बाहर निकाले, जिन्होंने कृत्रिम रेशों के चारों ओर मजबूती से घेरा बनाया। कुछ मामलों में, कोशिका झिल्ली अंदर की ओर मुड़ गई, जिससे वह रेशे को इतनी बारीकी से गले लगा लिया कि कोशिका और सेंसर के बीच का स्थान लगभग समाप्त हो गया। यह करीबी जुड़ाव छोटे, मोटे रेशों पर सबसे प्रभावी था, जहाँ कोशिका झिल्ली संरचना के आकार के अनुरूप पूरी तरह ढल सकती थी। लंबे, अधिक नाजुक रेशों पर, लिपटना मौजूद तो था लेकिन रेशों के सिरों की ओर पतला होने के कारण यह कम कसा हुआ था, जिससे पता चलता कि शाखा की भौतिक मोटाई इस बात पर प्रभाव डालती है कि कोशिका कितनी अच्छी तरह पकड़ बना सकती है।
इस भौतिक निकटता का सीधा असर बेहतर विद्युत प्रदर्शन पर पड़ा। शोधकर्ताओं ने मस्तिष्क कोशिकाओं की विद्युत गतिविधि को कई हफ्तों तक रिकॉर्ड किया और पाया कि छोटे-रेशों वाले इलेक्ट्रोडों पर विकसित नेटवर्क, सपाट या लंबे-रेशों वाली सतहों की तुलना में अधिक सक्रिय थे। छोटे रेशों वाली कोशिकाओं ने अधिक बार संकेत दिए और अपने संकेतों को सक्रियता के मजबूत समूहों (bursts) में केंद्रित किया। इससे पता चलता है कि छोटे रेशों द्वारा प्रदान किए गए घनिष्ठ भौतिक संपर्क ने कोशिकाओं को अधिक प्रभावी ढंग से संवाद करने में मदद की। इसके विपरीत, लंबे रेशों ने गतिविधि को उतना बढ़ावा नहीं दिया, संभवतः इसलिए क्योंकि कोशिकाएं पतले, दूरस्थ सिरों के चारोंกัน उतनी सुरक्षा से नहीं लिपट सकीं जितनी वे मोटे आधार के चारों ओर लिपट सकती थीं। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि इन नई संरचनाओं ने मस्तिष्क ऊतकों के समग्र संगठन को बाधित नहीं किया; कोशिकाएं एक साथ नहीं जुड़ीं या उनके सामान्य विन्यास में बदलाव नहीं आया, लेकिन उन्होंने उन स्थानों पर विशेष कनेक्शन बिंदु, जिन्हें सिनैप्स (synapses) कहा जाता है, बनाने के संकेत भी दिए जहाँ वे रेशों को छू रही थीं।
शायद सबसे उल्लेखनीय बात यह है कि इन फाइबर-कवर्ड इलेक्ट्रोडों ने शोधकर्ताओं को वह करने की अनुमति दी जो मानक सेंसरों के साथ आमतौर पर असंभव होता है: वे कोशिका के भीतर झाँक सके। एक केंद्रित लेजर बीम का उपयोग करके, टीम ने कोशिका झिल्ली में ठीक वहीं एक छोटा, अस्थायी छेद बनाया जहाँ वह एक रेशे को छू रही थी। ऑप्टोपोरेशन (optoporation) नामक इस तकनीक ने इलेक्ट्रोड को कोशिका के भीतर से विद्युत संकेत रिकॉर्ड करने की अनुमति दी, जो एक ऐसा कार्य है जो आमतौर पर बहुत अधिक आक्रामक तरीकों के लिए आरक्षित होता है। आंतरिक संकेत की गुणवत्ता इस बात पर निर्भर थी कि लेजर कहाँ लगा; सिग्नल रेशे के आधार पर सबसे स्पष्ट था, जहाँ कोशिका मजबूती से लिपटी हुई थी, और सिरों की ओर जाने पर कमजोर होता गया। इसने पुष्टि की कि कोशिका और इलेक्ट्रोड के बीच संबंध की मजबूती रेशे के स्थानीय आकार द्वारा निर्धारित होती है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि न्यूरल सेंसर का भौतिक आकार उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि वह किस सामग्री से बना है। ऐसे इलेक्ट्रोड उगाकर जो उन न्यूरॉन्स की तरह दिखते और महसूस होते हैं जिनके साथ उन्हें इंटरफेस करना है, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा प्लेटफॉर्म तैयार किया है जो कोशिकाओं को स्वाभाविक रूप से एकीकृत होने के लिए प्रोत्साहित करता है, जिससे उस अंतर को कम किया जा सके जो आमतौर पर संचार में बाधा डालता है। हालांकि इस तकनीक को सिग्नल की स्पष्टता को अधिकतम करने के लिए अभी और सुधार की आवश्यकता है, यह अध्ययन स्थापित करता है कि जैविक इलेक्ट्रोड की भौतिक वास्तुकला को प्रोग्राम करना यह नियंत्रित करने का एक शक्तिशाली तरीका है कि जीवित मस्तिष्क और कृत्रिम उपकरण कैसे जुड़ते हैं। यह दृष्टिकोण केवल सेंसर को नरम या छोटा बनाने से आगे बढ़कर है; यह इंटरफ़ेस की ज्यामिति को ही बदल देता है, जिससे उपकरण उस जैविक संरचना का हिस्सा बन जाता है जिसे पढ़ने के लिए उसे डिज़ाइन किया गया है।
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