شبیه‌سازی درد

شبیه سازی عصبی، ارزیابی و مدیریت درد

ضربان ساز قلب، یکی از شناخته ترین و متداول ترین پروتزهای نورونی است. سایر انواع محرک های الکتریکی عبارتند از دی فیبریلاتورهای قلبی، امپلنت های حلزون گوشت، محرک های رشد استخوانی ، محرک های عصبی برای کنترل لرزش دست در بیماری پارکینسون، محرک های عصبی برای ترمیم نخاع، ساکرال و سایر محرک های عصبی. نانوتکنولوژی بر روی این محرک های الکتریکی اثرگذار است. این اثرگذاری از طریق بهبود تکنولوژی باتری ها، تولید مواد زیست سازگارپذیر و عملیات های سطحی برای بهبود خواص، کوچک سازی الکترودها و بهبود اثربخشی و مدارهای مجتمع کوچک سازی شده و همچنین افزایش قدرت پردازش و قابلیت پردازش از طریق افزایش توان می باشد.
محرک های الکتریکی مربوط به بافت عصبی از طریق جراحی و ورود امپلنت های و وسایل عصبی – الکتریکی، وارد بدن می شوند. این کار، از جمله جدیدترین درمان ها محسوب می شود. وسایل مجتمع میکرویی و نانومتری، اجازه می دهند تا الکترودهای بیشتری به مکان هدف اعمال شود و رزولیشنش افزایش یابد. ثبت فعالیت عصبی نیز با استفاده از الکترودهای در مقیاس نانومتری انجام می شود زیرا یک تعداد بزرگتر از مکان های ثبت با این تکنولوژی ها مقدور می باشد. پروب های کاشت شده باید مقاومت خوبی در برابر محیط خورنده ی بدن داشته باشند. بنابراین، مهندسی سطح نانومقیاس این پروب ها ضروری می باشد. علاوه بر محافظت از این پروب ها، نانوتکنولوژی موجب توسعه ی سطوح مشترک فعال و بهبود یافته میان وسایل الکتریکی و عصب ها می شود.
یک مثال از محرک های الکتریکی در حقیقت مغز عمیق (deep brain stimulator) می باشد. این وسیله امکان درمان بیماران پارکینسونی را فراهم می آورد. پارکینسون بیماری مربوط به اعصاب مرکزی است که اغلب موجب تضعیف مهارت های حرکتی بیمار، صحبت کردن و عملکرد او می شود. این فهمیده شده است که لرزش بدون کنترل بیماران می تواند با استفاده از الکترودهای نانومتری از بین می رود که در حقیقت یک جریان الکتریکی پیوسته را به مغز بیمار وارد می کنند. محرک الکتریکی دقیق بر روی حذف لرزش، اثرگذار است.
کاهش در اندازه و الزامات مربوط به برق با تجمیع وسایل میکروالکترونیکی و بنابراین، حذف سیم و باتری را در پی دارد. این مسئله هم اکنون در مورد ضربان سازهای کاشت شده، مشاهده می شود. بهبود در ذخیره سازی انرژی از طریق مواد انرژی زای نانومهندسی شده، مانند ابرخازن ها و پلیمرهای رسانا به همراه الزامات با مصرف توان پایین در الکترونیک نانومهندسی شده، اجازه ی بهبود قابل توجهی در اندازه و قابلیت این وسایل، ایجاد می کند. این وسایل امکان تحریک الکتریکی و نقطه ی انتخاب شده ی عصب، فرایند حسگری و سیستم های عصبی- حرکتی را مقدور می کند. یک چنین بهبودهایی ممکن است امکان استفاده از محرک های الکتریکی کاشت شده برای استخوان و گرفت های استخوانی و همچنین تحریک عملکردها سیستم های درون ریز و سایر ارگان ها را فراهم آورد.

تداخل غیر تهاجمی ماشین مغز

کنترل اهداف فیزیکی برق همواره جزء آرزوهای انسانی است. تا سال های اخیر، این مسئله یک آرزوی علمی محسوب می شد. امروزه، با کمک تکنولوژی های جدید و در حقیقت به عنوان نتیجه ای از مطالعه ی فعالیت نورون های مغزی، کنترل ماشین ها و کامپیوترها بوسیله ی مغز به واقعیت رسیده است. سیستم هایی توسعه یافته است که در آنها الگوهای شلیک نورونی در مغز، به کنترل های الکترونیکی انتقال یابد که موجب ایجاد یک ارتباط بین کامپیوتر و یا ماشین و مغز می شود. این مسئله به خاطر این ممکن شده است که شلیک نورونی و انتقال جریان یونی در طول غشاهای آکسونی موجب ایجاد یک جریان الکتریکی می شود. این جریان در حقیقت یک میدان الکتریکی ایجاد می کند. یک جریان الکتریکی پایدار موجب تولید یک میدان مغناطیسی استاتیک می شود اما اگر جریان الکتریکی تغییر کند، بنابراین، میدان مغناطیسی نیز تغییر می کند. به طور عکس، یک تغییر در میدان مغناطیسی خارجی می تواند موجب القای تغییر در فعالیت الکتریکی (نورونی) می شود. بنابراین، مغناطش می تواند یک ابزار ارتباطی با عصب ها باشد بدون آنکه الکترود کاشتی و یا شوک های دردناک پوستی در آنها ایجاد شود.
این روش را مانیتورینگ معناطیسی گفته می شود و نیازمند استفاده از مغناطیس سنج های حساس می باشد زیرا میدان های مغناطیسی تولید شده بوسیله ی فعالیت مغزی، بسیار کوچک است. امروزه، مغناطیس مغز (MEG) می تواند فعالیت مغز را بر روی یک شبکه ی 1 میلی متری و یا کوچکتر، ترسیم کند. اولین نسل از ادوات MEG، بسیار بزرگ بودند. این بخش ها نیازمند اتاق های محافظت شده، مصرف الکتریسیته ی بالا، ابزارهای سرمایشی مورد استفاده برای دتکتورها و زمان فرایند طولانی بودند. این روش بیشتر محدود به آزمایشگاه های تحقیقاتی و یا بررسی های پزشکی خاص می باشد. نانوساخت این قابلیت را ساخته است که اندازه ی بیشتر اجزای مربوط به ادوات MEG (سنسور، آهنربا و ...) کاهش یابد و جنبه ی جدیدی از این تکنولوژی، بروز کند. این پیشرفت هم اکنون منجر به بهبود های قابل توجهی در حساسیت و کاهش اندازه ی ادوات مورد نیاز شده است. این کاهش اندازه از 10 تا 100 برابر بوده است.
مغناطش همچنین برای القای جریان الکتریکی در غشاء سلول عصبی نیز استفاده می شود، مشابه کاری که الکترودهای کاشت شده در این بخش ها، انجام می دهند (البته بدون تماس فیزیکی). شبیه سازی مغناطیسی یک روش پزشکی جدید است که نیازمند میدان های الکتریکی قوی می باشد. این میدان باید پالسی و یا به صورت متغیر باشد تا بدین صورت یک میدان الکتریکی ایجاد شود. اثر نانوتکنولوژی در این مورد، در حقیقت نانوساخت اجزای مورد استفاده و آلیاژهایی است که دارای خواص بهبود یافته می باشند. این مسئله موجب کاهش در اندازه ی ادوات مورد نیاز می شود. لایه های تولید شده از نانوذرات به عنوان مواد محافظ در این بخش ها، استفاده می شوند.
انواع مختلفی از طراحی های مغناطیس سنج در مقیاس نانویی نیز توسعه یافته اند. یکی از این موارد، معناطیس سنج های اتمی- نوری است. این ابزار بر اساس برخورد نور لیزری با اتم های ماده ی موجود در میدان مغناطیسی کار می کند (البته در فاز گازی). این ابزار میزان هم ترازی را در زمانی اندازه گیری می کند که اتم ها با یک برهمکنش مومنتومی اسپینی با باریکه ی لیزری، واکنش می دهد. در غیاب یک میدان مغناطیسی، اتم ها با میدان الکتریکی و مغناطیسی باریکه ی لیزری و عمود بر اتم ها، هم تراز می شود. هر آشوب و یا اختلالی که بوسیله ی میدان مغناطیسی ایجاد می شود، هم ترازی مربوط به باریکه را به هم می زند و موجب کاهش میزان انتقال نور از طریق گاز می شود. یک نمونه ی آزمایشی از این سیستم بوسیله ی NIST آمریکا توسعه یافته است که حاوی 100 میلیارد اتم گاز روبدیم در یک فنجان با اندازه ی یک دانه ی برنج است. تغییر در اسپین به سهولت قابل تشخیص می باشد و می توان آن را به اندازه های بسیار کوچکتر، مقیاس بندی کرد. نمونه ی آزمایشی NIST قادر به تشخیص ضربان قلب موش صحرایی می باشد. محققین پیش بینی می کنند که با کوچک سازی و افزایش کارایی این سنسورها، کاردیوگرافی مغناطیسی اطلاعات مشابه با الکتروکاردیوگرافی (ECG) را بدون نیاز به وارد کردن الکترود به بدن بیمار، مقدور می سازد. این روش می تواند یک جایگزین برای روش های تصویربرداری MRI و PET باشد، بدون آنکه عوامل بهبود دهنده ی کنتراست وارد بدن شوند. چیز جالب توجه، این است که حتی با وجود لیزر و اجزای حرارتی، این وسیله ی جدید مصرف انرژی پایینی دارد و می تواند بسیار کوچک تر از نسل های اولیه، تولید شود. این مسئله ممکن است روزی استفاده از پروب های کلاهی MEG در تداخل های ماشین مغز را مقدور سازد.
اگر چه بیشتر پیشرفت ها انجام شده است و هنوز هم تحقیقات بیشتری مورد نیاز است، موانع قابل توجهی در برابر این تکنولوژی وجود دارد. انتقال سیگنال وایرلس از امپلنت های مغزی هنوز جای کار دارد. یکی دیگر از چالش ها در واقع بهینه سازی میکروالکترودهایی است که فعالیت های مغزی را ثبت می کنند. در حقیقت این الکترودها در طی زمان و به دلیل تشکیل لایه های بیولوژیکی، تخریب می شوند. ریسک عفونت نیز یک مسئله ی مهم می باشد. مهندسی بهتر سطح مشترک با استفاده از مواد نانومتری نیاز به بهبود زیست سازگارپذیری و دوام را برطرف می کند و اجازه ی استفاده از ولتاژهای پایین تر برای تحریک را فراهم می آورد.

منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff