انسان‌های 6 میلیون دلاری

در یکی از صحنه‌های نمادین فیلم علمی ـ تخیلی «جنگ ستارگان»، لوک اسکای‌واکر دست مصنوعی خود را آزمایش می‌کند.

قهرمان سریال جنگ ستارگان با حرکت دادن میله‌های درون دست مصنوعی که در بخش مچ کاملا پیداست، می‌تواند براحتی انگشتان خود را تکان دهد.

او می‌تواند سوزش نوک سوزنی را که جراح رباتی به انگشتانش می‌زند بخوبی درک کند. اسکای‌واکر نه تنها می‌تواند با فکرش اندام مصنوعی‌اش را تکان دهد، بلکه آن را هم کاملا حس می‌کند.

گویی دست واقعی خودش است. چیزی را که در اینجا تماشاگر چندان به آن توجه نمی‌کند ارتباط واقعی بین انسان و ماشین است.

امروزه دانشمندان در تلاشند به این حد از طبیعی بودن اندام‌های مصنوعی دست یابند.

برای برقراری چنین ارتباطی با ماشین و اندام‌های واقعی باید پیام‌های عصبی ارسالی از مغز در اندام‌های مصنوعی به علائم الکتریکی تبدیل شود و برعکس آنچه به دست برخورد می‌کند یا توسط آن لمس می‌شود از سیگنال‌های الکترونیکی به پیام‌های عصبی تبدیل گردد.

در اینجا دو مشکل وجود دارد؛ اول آن‌که سیم‌های الکتریکی و رشته‌های عصبی درون یک عضو مصنوعی باید به گونه‌ای تنظیم شود که عضو مصنوعی بتواند علائمی کاملا متفاوت ارسال کند.

اما ابزارهای الکترونیکی بسته به الکترون‌های جاری در مواد هادی و نیمه‌هادی و ترانزیستورها عمل می‌کنند و سیستم عصبی برای ارسال علائم در فواصل موجود بین سلول‌های عصبی به قطبی‌شدن غشا‌های سلولی و آزادسازی مواد شیمیایی متکی هستند.

دوم این‌که باید نوع دیگری از سیم و جریان الکترونیکی در بدن به کارگرفت تا بدن اندام مصنوعی را جسم خارجی نپندارد و شروع به حمله نکند.

در هر حال، طی سال‌های گذشته به دنبال پیشرفت‌های نانوتکنولوژی و مهندسی بافت، این دو مشکل مورد توجه قرار گرفتند و تحقیقات زیادی در این باره انجام شده است.

در واقع محققان در حال ساخت نوع جدیدی از پل ارتباطی بین اعضای مصنوعی و عصب‌ها هستند. ارتباطی که از توانایی ذاتی سیستم عصبی برای تطبیق خود با شرایط جدید استفاده کند.

ترکیب موتور با ورودی حسی

از آنجا که ساختن پاهای مصنوعی که فرد بتواند با آن راه برود و بدود نسبت به تولید یک دست مصنوعی که فرد را قادر کند مثلا در شیشه مربا را باز کند یا با صفحه کلید لمسی رایانه مطلبی را تایپ کند بیشتر در حوزه مهندسی صرف قرار دارد، طراحان اندام‌های مصنوعی روی ساخت اندام‌های پایینی بدن تمرکز بیشتری داشته‌اند، اما بتازگی محققان در زمینه ساخت اندام‌های بالاتنه نیز گام‌های موثری برداشته‌اند.

بخشی از این تلاش به طراحی اندام‌هایی از بالاتنه مربوط می‌شود که به تا کردن نیاز دارند و باید بتوانند این کار را با ظرافت انجام دهند.

برای انجام این کار ابتدا باید وارد نقشه ذهنی مغز شد. این نقشه به مغز کمک می‌کند به الیاف ماهیچه‌های خاصی که مسئول کنترل بازو هستند علائمی عصبی ارسال کند و این علائم حاوی پیامی مبنی بر میزان فشار، موقعیت، کشش، اندازه حرکت و نیروی وارده از سوی دست و بازوست.

از طرفی این بازخورد حسی به مغز می‌گوید چه تعداد از الیاف ماهیچه‌ای را برای انجام حرکتی خاص به کار گیرد.

در یک اندام سالم، این موتور و علائم حسی کنار هم کار می‌کنند تا ماهیچه‌های عضوی تحریک و وادار به حرکت شوند.

این حس تحریک در واقع به آگاهی موجود زنده از بخش‌های مختلف بدنش در فضا و ارتباط آن با اندام‌های دیگر بدون این‌که به آنها توجهی داشته باشد، اطلاق می‌شود. بدون وجود این آگاهی، حتی ساده‌ترین کار مثل نوشتن غیرممکن می‌شود.

مهندسان قصد دارند اندامی بسازند که به عصب‌های موتور اصلی متصل و به وسیله آنها کنترل شوند؛ عصب‌هایی که پس از قطع عضو نمی‌میرند و فقط اندکی از لبه بخش قطع شده خود را عقب می‌کشند. استفاده از عصب‌های این موتور، تازه ابتدای راه است.

بسیاری از وظایف ساده حتی با پیشرفت‌های فراوانی که در ساخت اندام‌های مصنوعی شده هنوز بسیار مشکل است، زیرا وقتی مغز علامتی حسی ارسال می‌کند از سوی اندام مصنوعی پاسخی داده نمی‌شود.

در حقیقت، فرد قطع عضو شده به جای این‌که به تحریک درون عضوی خود وابسته باشد، با اتکا به آنچه می‌بیند اندام مصنوعی خود را تکان می‌دهد و معمولا حرکت‌های او فاقد ظرافت و آهسته خواهد بود. بنابراین یکی از اهداف مهندسان، ایجاد ارتباطی بین سیستم عصبی و اندام مصنوعی است که بتواند ارتباطی دو طرفه بین موتور و اطلاعات حسی برقرار کند.

چنین رابط عصب مکانیکی می‌تواند موجب ساخت دستی مصنوعی شود که به وسیله فکر کنترل شود و احساس واقعی بودن بدهد.

2 روش اصلی

اولین گام در ساخت یک رابط مفید میان بدن و اندام مصنوعی، تعیین مکان آن در سیستم عصبی است. دو انتخاب عمده پیش روست؛ یکی در تقابل با سیستم عصبی مرکزی (با اتصال به مغز یا نخاع شوکی) یا کمی دورتر در مکانی به نام سیستم عصبی پیرامونی ـ که خارج از مغز و نخاع است.

روی پوست سر یا درست زیر جمجمه روی سطح مغز، الکترود‌هایی نصب می‌شود که علائم ارسالی از مغز را دریافت کند و آن علائم به وسیله کامپیوتر به حرکت دلخواه تبدیل شود. اما این الکترودها نسبت به تداخل ابزارهای الکتریکی دیگر بسیار حساس‌ هستند و این‌که نمی‌توانند حرکاتی ظریف تولید و حرکات احتمالی بعدی را هم نمی‌توانند پیش‌بینی کنند.

روش دیگر، قرار دادن میکروالکترود زیر لایه‌های بیرونی مغز است. این روش علاوه بر این‌که دقت عمل را بالا می‌برد، حجم عظیمی از داده‌ها را نیز جابه‌جا می‌کند.

به کارگرفتن رابط مستقیم، دقت کار را بسیار بالا می‌برد و حجم فراوانی از اطلاعات را منتقل می‌کند و برای هر یک از سلول‌های عصبی توان و فرکانس لازم حرکت را فراهم می‌آورد.

اما سیم‌های متصل به الکترودها از جمجمه فرد قطع عضو شده بیرون خواهد ماند و احتمال دارد مغز، الکترودها را جسمی خارجی و مهاجم فرض کند و اطراف آن، بافت‌های زخم تولید نماید که این بافت‌ها به نوبه خود از تعداد سلول‌های عصبی می‌کاهند و مشکلاتی در انتقال صحیح داده‌ها به وجود می‌آورند. بنابراین رابط کارآمدتری لازم است.

خوشبختانه ماهیچه‌ها تنها بافت‌هایی نیستند که درون آنها عصب‌های آسیب‌دیده رشد می‌کنند، بلکه عصب‌ها به سمت عصب‌های دیگر حرکت و رشد می‌کنند، حتی رشته‌های عصبی پیوند زده شده را نیز می‌پذیرند به طوری که انگار از خانواده خودشان هستند بنابراین محققان از عصب‌های پیوندی به منظور واسطه میان اندام‌های قطع شده وسیم‌های الکتریکی یک اندام مصنوعی استفاده کنند.

محققان با روش کاشت سلولی عصب‌ها توانستند بافت اعصاب را رشد دهند. وقتی آنها این بافت در حال رشد را در بخش قطع شده عضوی در یک موش به عنوان پل ارتباطی قرار دادند بافت موجود در عصب در امتداد پل رشد کرد و سرانجام به حدی رسید که عضو از کارافتاده موش را مجدد به کار واداشت.

پس از تحریک رشد این بافت‌ها در مکان عصب‌های عضو قطع شده، محققان به ساخت پلی پیچیده تر که این بار اجازه دهد بافت با رشته‌های الکترونیکی اندام‌های مصنوعی ارتباط برقرار کند، پرداختند. آنها با ساخت پلیمرهای هادی گوناگون به ترکیبی ارگانیک از نوع پلی‌آنیلین بر پایه نیتروژن دست یافتند که حامل جریان الکتریکی‌ است و سیستم ایمنی بدن در برابر آن واکنش شدید نشان نمی‌دهد.

گام‌های بعد

گام بعد، تحریک عصب‌هایی است که در آزمایشگاه تولیده شده تا منجر به تولید میکروالیاف شود و بافت عصبی در یک طرف عصب‌های میزبان رشد کند و طرف دیگر میکروالیاف‌ها به وسیله فرستنده بی‌سیم به اندام مصنوعی متصل شود و چنانچه بافت عصبی عضو قطع شده اطراف بافت عصبی آزمایشگاهی ما رشد نماید و با الیاف‌ها ارتباط برقرار کند، ایده‌آل‌ترین حالت به وجود آمده است؛ زیرا می‌تواند علائم الکتریکی بافت عصبی موتور محل قطع شده عضو را دریافت و آنها را به بخش‌های الکتریکی منتقل کند.

همچنین علائم حسی فرستاده شده از ابزارهای الکتریکی از الیاف عبور کرده و بافت عصبی ـ حسی رشد کرده درون پل ارتباطی را قطبش زدایی کرده و به این وسیله اطلاعات را به سمت نخاع و سپس مغز بازپخش می‌کند.

محققان باید مغز را به گونه‌ای تحریک کنند تا برای اندام مصنوعی، همچون اندام‌های اصلی بدن، نقشه ذهنی مجددی را درخصوص این‌که عصب‌های مثلا فلان موتور آن عضو مصنوعی چه کاری انجام دهند، ترسیم نماید و بالاخره بتواند روی اندام جدید تسلط پیدا کند.

آینده‌ای نه‌چندان دور

ساخت پل ارتباطی زنده میان سیستم عصبی انسان و یک اندام مصنوعی مستلزم گذراندن چند گام است. گام اول این که دانشمندان در آزمایشگاه رشته‌های عصبی (رنگ سبز) را در لبه میکروالیاف‌های هادی برق (رنگ خاکستری) رشد دهند سپس عصب‌ها به دو طرف کشیده، جدا شده و موجب بلندشدن بافت‌های عصبی می‌شوند.

بعد از این‌که این پل در مکان عضو قطع شده قرارگیرد، بافت‌های عصبی میزبان (رنگ قرمز) روی پل را خواهند گرفت و به این ترتیب علائم عصبی بین مغز، نخاع و اندام مصنوعی رد و بدل خواهد شد.

به این ترتیب، بشر یک گام دیگر به تبدیل کردن رویاهایش که نمود آن در فیلم‌های علمی - تخیلی ثبت شده است، نزدیک‌تر خواهد شد.

این عمل جراحی ظریف که در آن مواد و ارگان‌های هوشمند وظیفه جراحان زبردست را برعهده خواهند گرفت، شکل زندگی انسان‌های آینده را بشدت تغییر خواهد دادو در آن زمان، معلولیت دیگر مفهومی نخواهد داشت.

منبع: new scientists 
مترجم: نادیا زکالوند