วิศวกรชี้ทางสู่ขาเทียมที่ใช้เส้นประสาทแห่งอนาคต

ศาสตราจารย์ François Ladouceur จาก School of Electrical Engineering and Telecommunications ของ UNSW กล่าวว่า ทีมงานสหสาขาวิชาชีพเพิ่งแสดงให้เห็นในห้องแล็บถึงสิ่งที่พิสูจน์ได้ทางทฤษฎีก่อนเกิดโรคระบาดไม่นาน นั่นคือ เซ็นเซอร์ที่สร้างขึ้นโดยใช้ผลึกเหลวและเทคโนโลยีออปติกแบบบูรณาการ ซึ่งเรียกว่า 'optrodes' -- สามารถบันทึกกระแสประสาทในร่างกายสัตว์ที่มีชีวิตได้ ไม่เพียงแต่ออปโทรดเหล่านี้ทำงานได้ดีพอๆ กับอิเล็กโทรดทั่วไปที่ใช้ไฟฟ้าเพื่อตรวจจับแรงกระตุ้นของเส้นประสาท แต่พวกมันยังจัดการกับ "ปัญหายุ่งยากมากที่เทคโนโลยีที่แข่งขันกันไม่สามารถจัดการได้" ศาสตราจารย์ลาดูเซอร์กล่าว "ประการแรก มันยากมากที่จะลดขนาดของส่วนต่อประสานโดยใช้อิเล็กโทรดแบบเดิม เพื่อให้อิเล็กโทรดนับพันสามารถเชื่อมต่อกับเส้นประสาทนับพันภายในพื้นที่ขนาดเล็กมาก "ปัญหาอย่างหนึ่งเมื่อคุณลดขนาดอิเล็กโทรดนับพันและทำให้เข้าใกล้กันมากขึ้นเพื่อเชื่อมต่อกับเนื้อเยื่อชีวภาพก็คือความต้านทานแต่ละตัวจะเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนลดลง ดังนั้นเราจึงมีปัญหาในการอ่านสัญญาณ เราเรียกว่า 'อิมพีแดนซ์ไม่ตรงกัน' นี้ "ปัญหาอีกประการหนึ่งคือสิ่งที่เราเรียกว่า 'ครอสทอล์ค' เมื่อคุณย่ออิเล็กโทรดเหล่านี้และนำมาใกล้กันมากขึ้น พวกมันจะเริ่มพูดคุยหรือส่งผลกระทบต่อกันเนื่องจากความใกล้ชิดกัน" แต่เนื่องจากออปโทรดใช้แสงและไม่ใช้ไฟฟ้าในการตรวจจับสัญญาณประสาท ปัญหาของอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันจึงซ้ำซ้อนและครอสทอล์คลดลง "ข้อได้เปรียบที่แท้จริงของวิธีการของเราคือ เราสามารถทำให้การเชื่อมต่อนี้หนาแน่นมากในโดเมนออปติคัล และเราไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายที่คุณต้องจ่ายในโดเมนไฟฟ้า" ศาสตราจารย์ลาดูเซอร์กล่าว ในการสาธิตวิฟ ในงานวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Journal of Neural Engineering ศาสตราจารย์ Ladouceur และเพื่อนนักวิจัยที่ UNSW ต้องการแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถใช้ออปโทรดเพื่อวัดแรงกระตุ้นประสาทได้อย่างแม่นยำขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ไปตามเส้นใยประสาทในสัตว์ที่มีชีวิต ศาสตราจารย์ Nigel Lovell จาก Scientia ซึ่งเป็นหัวหน้าบัณฑิตวิทยาลัยวิศวกรรมชีวการแพทย์และเป็นผู้อำนวยการของ Tyree Foundation Institute of Health Engineering เป็นส่วนหนึ่งของทีมวิจัยที่พยายามสาธิตสิ่งนี้ในห้องปฏิบัติการ เขากล่าวว่าทีมเชื่อมต่อ optrode กับเส้นประสาท sciatic ของสัตว์ที่ได้รับยาสลบ จากนั้น เส้นประสาทจะถูกกระตุ้นด้วยกระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก และสัญญาณประสาทจะถูกบันทึกด้วยออปโทรด จากนั้นพวกเขาก็ทำแบบเดียวกันโดยใช้อิเล็กโทรดธรรมดาและเครื่องขยายสัญญาณชีวภาพ "เราแสดงให้เห็นว่าการตอบสนองของเส้นประสาทนั้นเหมือนกัน" ศ. โลเวลล์กล่าว "ยังมีสัญญาณรบกวนมากกว่าในระบบออปติคัล แต่ก็ไม่น่าแปลกใจเนื่องจากเป็นเทคโนโลยีใหม่เอี่ยม และเราสามารถดำเนินการแก้ไขได้ แต่ท้ายที่สุด เราสามารถระบุคุณลักษณะที่เหมือนกันได้โดยการวัดทางไฟฟ้าหรือทางออปติก" รุ่งอรุณใหม่สำหรับขาเทียม จนถึงตอนนี้ ทีมงานสามารถแสดงให้เห็นว่าแรงกระตุ้นของเส้นประสาท ซึ่งค่อนข้างอ่อนแอและวัดเป็นไมโครโวลต์ สามารถลงทะเบียนได้ด้วยเทคโนโลยี optrode ขั้นตอนต่อไปคือการเพิ่มจำนวนของ optrodes เพื่อให้สามารถจัดการกับเครือข่ายที่ซับซ้อนของเนื้อเยื่อประสาทและกระตุ้นได้ Prof. Ladouceur กล่าวว่าในตอนต้นของโปรเจกต์นี้ เพื่อนร่วมงานของเขาถามตัวเองว่า ผู้ชายหรือผู้หญิงต้องใช้การเชื่อมต่อทางประสาทมากน้อยเพียงใดในการใช้มือที่มีไหวพริบในระดับหนึ่ง "คุณสามารถหยิบวัตถุได้ คุณสามารถตัดสินแรงเสียดทานได้ คุณสามารถใช้แรงกดที่เหมาะสมเพื่อจับมันได้ คุณสามารถเคลื่อนจาก A ไป B ได้อย่างแม่นยำ คุณสามารถไปเร็วและช้าได้ สิ่งเหล่านี้ทั้งหมดที่เรา อย่าแม้แต่จะคิดว่าเราดำเนินการเหล่านี้เมื่อใด คำตอบไม่ชัดเจน เราต้องค้นหาในเอกสารค่อนข้างน้อย แต่เราเชื่อว่ามีการเชื่อมต่อประมาณ 5,000 ถึง 10,000 รายการ" กล่าวอีกนัยหนึ่ง ระหว่างสมองและมือของคุณมีกลุ่มของเส้นประสาทที่เดินทางลงมาจากเยื่อหุ้มสมองของคุณ และในที่สุดก็แบ่งออกเป็น 5,000 ถึง 10,000 เส้นประสาทที่ควบคุมการทำงานที่ละเอียดอ่อนของมือของคุณ หากชิปที่มีการเชื่อมต่อทางแสงหลายพันจุดสามารถเชื่อมต่อกับสมองของคุณ หรือบางแห่งในแขนก่อนที่มัดเส้น ประสาท จะแยกจากกัน มือเทียมอาจสามารถทำงานได้ด้วยความสามารถที่เทียบเท่ากับมือทางชีวภาพ นั่นคือความฝัน อย่างไรก็ตาม ศ.ลาดูเซอร์กล่าวว่าน่าจะมีการวิจัยเพิ่มเติมอีกหลายสิบปีก่อนที่จะเป็นจริง ซึ่งจะรวมถึงการพัฒนาความสามารถให้ออปโทรดเป็นแบบสองทิศทาง พวกเขาไม่เพียงแต่จะรับและตีความสัญญาณจากสมองที่ส่งไปยังร่างกายเท่านั้น พวกเขายังได้รับการตอบสนองในรูปแบบของแรงกระตุ้นประสาทที่ส่งกลับไปยังสมองอีกด้วย เกมยาว: ส่วนต่อประสานสมองกับเครื่องจักร ประสาทเทียมไม่ได้เป็นเพียงพื้นที่เดียวที่เทคโนโลยี optrode มีศักยภาพในการกำหนดใหม่ มนุษย์จินตนาการมานานแล้วเกี่ยวกับการรวมเทคโนโลยีและเครื่องจักรเข้ากับร่างกายมนุษย์เพื่อซ่อมแซมหรือปรับปรุง บางส่วนของสิ่งนี้กลายเป็นจริงแล้ว เช่น ประสาทหูเทียม เครื่องกระตุ้นหัวใจ และเครื่องกระตุกหัวใจ ไม่ต้องพูดถึงนาฬิกาอัจฉริยะและอุปกรณ์ติดตามอื่นๆ ที่ให้การตอบสนองทางชีวภาพอย่างต่อเนื่อง แต่หนึ่งในเป้าหมายที่ทะเยอทะยานกว่านั้นในวิศวกรรมชีวการแพทย์และประสาทวิทยาศาสตร์คือส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับเครื่องจักรที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อเชื่อมต่อสมองกับส่วนอื่นๆ ของร่างกาย ไม่เพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโลกด้วย ศ. โลเวลล์กล่าวว่า "พื้นที่ของการเชื่อมต่อประสาทเป็นสาขาที่น่าตื่นเต้นอย่างไม่น่าเชื่อ และจะเป็นเรื่องของการวิจัยและพัฒนาที่เข้มข้นในทศวรรษหน้า" ศ. โลเวลล์กล่าว แม้ว่าตอนนี้จะเป็นเรื่องแต่งมากกว่าข้อเท็จจริง แต่ก็มีบริษัทเทคโนโลยีชีวภาพหลายแห่งที่จริงจังกับเรื่องนี้มาก ผู้ประกอบการ Elon Musk เป็นหนึ่งในผู้ร่วมก่อตั้ง Neuralink ที่มีเป้าหมายเพื่อสร้างส่วนต่อประสานระหว่างสมองกับคอมพิวเตอร์ที่มีศักยภาพในการช่วยเหลือผู้ที่เป็นอัมพาต รวมถึงการรวมเอาปัญญาประดิษฐ์เข้ากับการทำงานของสมองของเรา วิธีการของ Neuralink ใช้ลวดอิเล็กโทรดแบบธรรมดาในอุปกรณ์ ดังนั้นจึงต้องเอาชนะอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกันและครอสทอล์ค ท่ามกลางความท้าทายอื่นๆ หากต้องพัฒนาอุปกรณ์ที่รองรับการเชื่อมต่อระหว่างสมองกับอุปกรณ์ที่ฝังไว้นับพันหรือนับล้าน เมื่อเร็ว ๆ นี้นาย Musk ได้รับรายงานว่ารู้สึกผิดหวังกับการพัฒนาเทคโนโลยีที่ช้า Prof. Ladouceur กล่าวว่าเวลาจะบอกได้ว่า Neuralink และคู่แข่งประสบความสำเร็จในการขจัดอุปสรรคเหล่านี้หรือไม่ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการฝังอุปกรณ์ในร่างกายที่จับกิจกรรมของระบบประสาทในปัจจุบันนั้นถูกจำกัดไว้ที่อิเล็กโทรดประมาณ 100 ตัวหรือมากกว่านั้น ยังคงมีหนทางอีกยาวไกล "ฉันไม่ได้บอกว่ามันเป็นไปไม่ได้ แต่มันจะกลายเป็นปัญหาจริงๆ ถ้าคุณยึดติดกับอิเล็กโทรดมาตรฐาน" ศาสตราจารย์ Ladouceur กล่าว "เราไม่มีปัญหาเหล่านี้ในโดเมนออปติก ในอุปกรณ์ของเรา ถ้ามีกิจกรรมของระบบประสาท การมีอยู่ของมันมีอิทธิพลต่อการวางแนวของคริสตัลเหลว ซึ่งเราสามารถตรวจจับและหาปริมาณได้โดยการฉายแสงไปที่มัน หมายความว่าเราไม่ ดึงกระแสไฟออกจากเนื้อเยื่อชีวภาพเหมือนที่ลวดอิเล็กโทรดทำ ดังนั้น ไบโอเซนซิ่งจึงทำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น" ตอนนี้นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าวิธีการของ optrode ใช้งานได้ในร่างกายแล้ว พวกเขาจะเผยแพร่งานวิจัยที่แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยี optrode เป็นแบบสองทิศทางในไม่ช้า ซึ่งไม่เพียงแต่สามารถอ่านสัญญาณประสาทเท่านั้น แต่ยังสามารถเขียนได้อีกด้วย