In situ acoustic manufacturing of conformal brain–computer interfaces
यह शोध पत्र एआई-गाइडेड इन सीटू अल्ट्रासाउंड प्रिंटिंग (AiUP) प्रस्तुत करता है, जो एक क्लोज्ड-लूप ध्वनिक विनिर्माण रणनीति है जो दबाव-उत्तरदायी नैनोकैज और एक एआई कंट्रोलर का उपयोग करके सीधे मस्तिष्क की सतह पर अनुरूप, स्थिर ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस प्रिंट करती है, जिससे पारंपरिक पूर्व-निर्मित इम्प्लांट्स के यांत्रिक बेमेल और सर्जिकल सीमाओं को दूर किया जा सके।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
मानव मस्तिष्क एक कोमल, गीला और निरंतर गतिशील अंग है, जो एक सुरक्षात्मक झिल्ली में लिपटा हुआ और तरल पदार्थ में तैरता रहता है। दशकों से, वैज्ञानिक और डॉक्टर पक्षाघात, मिर्गी या अन्य तंत्रिका संबंधी स्थितियों में मदद करने के लिए इस नाजुक ऊतक से कंप्यूटर को जोड़ने का प्रयास कर रहे हैं। पारंपरिक विधि में एक पूर्व-निर्मित उपकरण, जो आमतौर पर तारों का एक कठोर या अर्ध-लचीला सरणी (array) होता है, को मस्तिष्क की सतह पर सर्जिकल रूप से स्थापित करना शामिल है। इस दृष्टिकोण में एक मौलिक दोष है: एक कारखाने में बनी वस्तु मस्तिष्क के अद्वितीय, घुमावदार और बदलते परिदृश्य के साथ पूरी तरह मेल नहीं खा सकती। यह बेमेल डिवाइस को ऊतक से रगड़ने का कारण बनता है, जिससे सूजन, निशान वाले ऊतक (scar tissue) और उन विद्युत संकेतों के धीरे-धीरे नुकसान का कारण बनता है जिन्हें यह पकड़ने के लिए बनाया गया है। मस्तिष्क हिलता है, लेकिन उपकरण नहीं, जिससे एक अंतराल पैदा होता है जो समय के साथ प्रदर्शन को कम कर देता है।
इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने लंबे समय से इन इंटरफेस को मस्तिष्क में प्रत्यारोपित करने के बजाय सीधे मस्तिष्क पर बनाने का तरीका खोजा है। हालाँकि, मस्तिष्क चीजों के निर्माण के लिए एक कठिन स्थान है। प्रकाश सामग्री को सुखाने (cure) के लिए पर्याप्त गहराई तक प्रवेश नहीं कर सकता, और गर्मी खतरनाक है क्योंकि यह संवेदनशील तंत्रिका कोशिकाओं को नुकसान पहुँचा सकती है। अन्य विधियाँ जो सामग्रियों को अपनी जगह पर दबाने या धकेलने का प्रयास करती हैं, वे ऊतक को घायल करने का जोखिम उठाती हैं। चुनौती एक ऐसा उपकरण खोजने की रही है जो शरीर के भीतर एक कोमल, प्रवाहकीय (conductive) इंटरफेस बना सके, जो ऊतक के माध्यम से देख सके, बिना उसे छुए चल सके, और केवल वहीं रासायनिक प्रतिक्रिया को सक्रिय कर सके जहाँ आवश्यकता हो।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा सिस्टम विकसित किया है जो इन चुनौतियों का सामना करता है, जो अल्ट्रासाउंड—उसी ध्वनि तरंगों का उपयोग जो चिकित्सा इमेजिंग के लिए की जाती हैं—को एक सटीक विनिर्माण उपकरण में बदल देता है। वे अपने इस तरीके को 'एआई-गाइडेड इन सीटू अल्ट्रासाउंड प्रिंटिंग' कहते हैं। मस्तिष्क में एक तैयार इलेक्ट्रोड लाने के बजाय, यह प्रणाली सतह पर एक तरल स्याही लाती है और केंद्रित ध्वनि तरंगों का उपयोग करके उस तरल को ठीक वहीं ठोस, प्रवाहकीय जेल में बदल देती है जहाँ इसकी आवश्यकता होती है। यह प्रक्रिया एक आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस कंट्रोलर द्वारा निर्देशित होती है जिसे 'इको एजेंट' (EchoAgent) कहा जाता है, जो प्रिंटिंग होते समय वास्तविक समय में निगरानी करता है और ध्वनि तरंगों को समायोजित करता है ताकि पैटर्न सही ढंग से बने, भले ही मस्तिष्क हिल रहा हो या ध्वनि तरंगें विकृत हो रही हों।
इस तकनीक की कुंजी एक विशेष प्रकार की स्याही में निहित है। शोधकर्ताओं ने एक तरल मिश्रण बनाया जिसमें संशोधित रेशम (silk) से बने छोटे, खोखले पिंजरे (cages) शामिल हैं। ये पिंजरे तब तक स्थिर रहने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं जब तक कि वे ध्वनि तरंगों से एक विशिष्ट दबाव महसूस न करें। जब केंद्रित अल्ट्रासाउंड स्याही से टकराता है, तो पिंजरे सटीक दबाव स्तरों पर ढह जाते हैं, जिससे एक रासायनिक ट्रिगर निकलता है जो तरल स्याही को तुरंत एक नरम, प्रवाहकीय हाइड्रो जेल में बदल देता है। चूंकि पिंजरे केवल विशिष्ट दबावों पर ही टूटते हैं, इसलिए शोधकर्ता नियंत्रित कर सकते हैं कि जेल कहाँ और कैसे बनेगा। वे एक ही प्रिंटिंग सत्र के भीतर विभिन्न प्रकार के पिंजरों को मिलाकर अलग-अलग मजबूती वाली सामग्री की परतें भी बना सकते हैं। यह उन्हें ऐसे इलेक्ट्रोड बनाने की अनुमति देता है जो मस्तिष्क के साथ चलने के लिए पर्याप्त कोमल हैं लेकिन विद्युत संकेतों को स्पष्ट रूप से संचालित करने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं।
इसे जीवित जीव के भीतर काम करने के लिए, टीम ने एक ऐसी मशीन बनाई है जो प्रिंटिंग के लिए उपयोग की जाने वाली ध्वनि तरंगों को उच्च-आवृत्ति अल्ट्रासाउंड इमेजिंग के साथ जोड़ती है। यह उन्हें स्याही, मस्तिष्क की सतह और प्रिंटिंग प्रक्रिया को एक साथ देखने की अनुमति देता है। आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस, इको एजेंट, इस ऑपरेशन का मस्तिष्क के रूप में कार्य करता है। यह लक्षित क्षेत्र का पता लगाने के लिए अल्ट्रासाउंड छवियों का विश्लेषण करता है, उस पथ की योजना बनाता है जिसे ध्वनि तरंगों को अपनाना चाहिए, और शरीर की प्राकृतिक गतिविधियों के कारण होने वाले किसी भी विचलन या विरूपण को लगातार ठीक करता है। यदि मस्तिष्क थोड़ा भी खिसकता है, तो एआई प्रिंटिंग को ट्रैक पर रखने के लिए ध्वनि तरंगों को तुरंत समायोजित करता है। यह क्लोज्ड-लूप सिस्टम यह सुनिश्चित करता है कि अंतिम इलेक्ट्रोड इच्छित डिजाइन के साथ उच्च सटीकता के साथ मेल खाए, जो कि एक मानव ऑपरेटर के लिए मैन्युअल रूप से करना लगभग असंभव है।
शोधकर्ताओं ने चूहों और सूअरों में इस प्रणाली का परीक्षण किया, जो दो बहुत अलग आकार के जानवर हैं। चूहों (mice and rats) में, उन्होंने सफलतापूर्वक लचीले इलेक्ट्रोड सरणियों को सीधे मस्तिष्क की सतह पर प्रिंट किया। इन प्रिंटेड इलेक्ट्रोड्स ने उच्च स्पष्टता के साथ मस्तिष्क की गतिविधि को रिकॉर्ड किया, जिसमें स्थिर पृष्ठभूमि संकेतों और तंत्रिका आवेगों के तीखे स्पाइक्स दोनों को पकड़ा गया। यह प्रणाली कई महीनों तक स्थिर रही, और पारंपरिक उपकरणों की तुलना में इन इलेक्ट्रोडों ने गति से होने वाले हस्तक्षेप को कम दिखाया। मिर्गी के एक मॉडल में, प्रिंटेड सेंसर दौरे (seizure) के शुरुआती चेतावनी संकेतों का पता लगाने में सक्षम थे, जो यह सुझाव देते हैं कि उनका उपयोग निगरानी और संभावित रूप से खतरनाक घटनाओं को रोकने के लिए किया जा सकता है।
इसके बाद टीम ने प्रयोग को सूअरों तक बढ़ाया, जिनका मस्तिष्क चूहों की तुलना में बहुत बड़ा और अधिक जटिल है, जिनमें मानव मस्तिष्क के समान मोड़ और वक्र हैं। उन्होंने पहले यह प्रदर्शित किया कि सिस्टम त्वचा के नीचे मस्तिष्क की तरंगों को रिकॉर्ड करने के लिए इलेक्ट्रोड प्रिंट कर सकता है, और फिर खुले मस्तिष्क की सतह पर सीधे प्रिंट करने की दिशा में आगे बढ़ा। प्रिंटेड इलेक्ट्रोड्स ने एक अनुरूप परत (conformal layer) बनाई जिसने मस्तिष्क के घुमावों को पूरी तरह से जकड़ लिया। इन सेंसरों ने संवेदी उत्तेजना के दौरान विस्तृत विद्युत गतिविधि को रिकॉर्ड किया और यहाँ तक कि शोधकर्ताओं को जानवर की इच्छित गतिविधियों को डिकोड करने की अनुमति भी दी। एआई ने बड़े आकार और अधिक चुनौतीपूर्ण ध्वनिक वातावरण के बावजूद प्रिंटिंग प्रक्रिया को सफलतापूर्वक प्रबंधित किया, जिससे सिद्ध हुआ कि यह तकनीक बड़े, जटिल जैविक प्रणालियों में भी काम कर सकती है।
परिणाम दर्शाते हैं कि यह विधि तकनीक और जीव विज्ञान के बीच एक निर्बाध इंटरफेस बनाती है। सीधे ऊतक पर इलेक्ट्रोड बनाकर, यह प्रणाली उस अंतराल को समाप्त करती है जो आमतौर पर क्षति और सिग्नल हानि का कारण बनता है। प्रिंटेड इलेक्ट्रोड्स कोमल, प्रवाहकीय और यांत्रिक रूप से मस्तिष्क के अनुकूल होते हैं, जिससे स्थिर, दीर्घकालिक रिकॉर्डिंग संभव होती है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि ध्वनि और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का उपयोग करके जीवित शरीर के भीतर जटिल न्यूरल इंटरफेस का निर्माण करना संभव है, जो वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ की तुलना में कम आक्रामक और अधिक प्रभावी ब्रेन-कंप्यूटर इंटरफेस के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है। यह दृष्टिकोण केवल यह नहीं सुधारता कि हम मस्तिष्क से उपकरणों को कैसे जोड़ते हैं; यह मस्तिष्क के साथ हमारे संवाद के मौलिक तर्क को बदल देता है, जो किसी उपकरण को फिट होने के लिए मजबूर करने से, एक ऐसे उपकरण को विकसित करने की ओर बढ़ता है जो पूरी तरह से फिट बैठता है।
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