الأطراف الاصطناعية و الدماغ

الأطراف الاصطناعية و الدماغ

كيف يمثل الدماغ الأهداف

سمح لنا العمل مع هؤلاء المرضى بدراسة الخلايا العصبية المشاركة في معالجة الإشارات المقصودة. لقد ثبت أن كمية المعلومات التي قدمتها بضع مئات من الخلايا العصبية المعنية هائلة. من هذا المنطلق ، تمكنا من فك شفرة عدد كبير من الأنشطة المعرفية ، مثل إنشاء استراتيجية ذهنية (تخيل الحركات دون القيام بها) ، أو تحريك الأصابع ، أو الإمساك بشيء ، أو مراقبة موضع اليدين للاستيلاء على شيء ما أو الاستمرار في الأداء عمليات حسابية. من المثير للدهشة أن زرع عدد قليل من شبكات الأقطاب الكهربائية الصغيرة سمح لنا بفك شفرة العديد من نوايا الشخص.

ما مقدار المعلومات التي يمكن تسجيلها من عينة صغيرة من أنسجة المخ؟ ذكرني هذا السؤال بمشكلة واجهتها بالفعل في بداية مسيرتي المهنية. كنت حينها زميلًا لما بعد الدكتوراه في فريق فيرنون ماونتكاسل ، كلية جونز هوبكنز للطب ، وكنا ندرس تمثيل الفضاء البصري في القشرة الجدارية الخلفية للقرود. تشبه العين البشرية الكاميرا بشبكية العين الحساسة للضوء والتي تخبرنا بمكان وجود المحفزات البصرية. الصورة بأكملها تسمى خريطة شبكية. ترتبط الخلايا العصبية بمناطق معينة من شبكية العين تسمى حقول المستقبلات. ومع ذلك ، في جوانب أخرى ، تختلف معالجة الإدراك البصري عن تلك الخاصة بتسجيل الفيديو. عندما تمسح الكاميرا مشهدًا ، تتحرك الصورة أيضًا ، بينما عندما نحرك أعيننا ، يبدو العالم مستقرًا. هذا لأن الصورة الشبكية التي تأتي من العين يتم تحويلها بعد ذلك إلى تمثيل مرئي للفضاء يأخذ في الاعتبار موضع ما تراقبه أعيننا ، بحيث عندما نحركها لا يبدو العالم وكأنه يتحرك معًا. .

إقرأ أيضا:كيف تصبح مقدم عقارات

الأطراف الاصطناعية و الدماغ : القشرة الجدارية الخلفية هي مركز معالجة رئيسي للبيانات البصرية المكانية

القشرة الجدارية الخلفية هي مركز معالجة رئيسي للبيانات البصرية المكانية. في حالة تلفه ، يصبح من الصعب جدًا الوصول إلى شيء ما أو الإمساك به. في معمل فيرنون ماونتكاسل ، أظهرنا أن الخلايا العصبية الفردية في هذه المنطقة لديها مجالات استقبالية تسجل جزءًا من المشهد. تسجل الخلايا نفسها أيضًا معلومات حول موضع العينين. تتفاعل هاتان الإشارتان عن طريق عبور البيانات المرئية مع تلك الموجودة في اتجاه النظرة. حاصل ضرب الاثنين يسمى حقل الكسب.

واصلت الاهتمام بتمثيل الدماغ للفضاء عندما توليت منصبي الأول في معهد Salk للدراسات البيولوجية. مع ديفيد زيبسر ، عالم الأعصاب النظري بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو ، وصفنا في مجلة Natureنموذج حسابي لشبكة عصبية اصطناعية يجمع بين تنشيط مناطق شبكية معينة مع اتجاه النظرة لإنشاء خرائط مكانية مستقلة عن حركة العين. خلال مرحلة تدريب الشبكات العصبية ، تطور الطبقات الوسطى مجالات اكتساب ، كما هو الحال في التجارب مع القشرة الجدارية الخلفية. من خلال الجمع بين إشارات البيانات المرئية وموضع العين في نفس الخلايا العصبية ، وجدنا أن تسعة خلايا عصبية كافية لتمثيل المجال البصري بأكمله.

في الآونة الأخيرة ، أثارت فكرة التمثيلات المجمعة هذه – مجموعات الخلايا العصبية التي تستجيب لمتغيرات متعددة (مثل مجالات الكسب) – الكثير من الاهتمام.

إقرأ أيضا:ماهي السموم البيضاء ؟

الانتقائية المجمعة للخلايا العصبية

يمكن أن يشرح هذا العمل ما يحدث في القشرة الجدارية الخلفية. في أحد الأيام ، طلبنا من نانسي ، باستخدام مجموعة من التعليمات المكتوبة ، القيام بثماني تركيبات مختلفة من مهمة. طلب أحدهم تطوير استراتيجيات لتخيل أو القيام بعمل ما. آخر ، لاستخدام الجزء الأيمن أو الأيسر من الجسم. ثالثًا ، التدرب على مصافحة شخص ما أو هز كتفه. وجدنا أن الخلايا العصبية في القشرة الجدارية الخلفية تجمع كل هذه البيانات ، ويقدم تكاملها نمطًا محددًا جدًا من النشاط ، يختلف عن الطريقة التي تتفاعل بها هذه الاختلافات بشكل عشوائي في التجارب على حيوانات المختبر.

يميل نشاط مجموعات الخلايا العصبية المستخدمة لتطوير الاستراتيجيات وتلك المستخدمة للتحكم في كل جانب من الجسم إلى التداخل. إذا أضاء أحد الخلايا العصبية لبدء حركة اليد اليسرى ، فمن المحتمل أن يتم تنشيطها لبدء حركة اليد اليمنى أيضًا ، عندما تكون مجموعات الخلايا العصبية التي تتحكم في الكتف أو اليد أكبر. وهذا ما يسمى الانتقائية المركبة جزئياً. اكتشفنا منذ ذلك الحين أوجه تشابه في التمثيلات المدمجة جزئيًا والتي يمكن أن تشكل دلالات للحركة.

الأطراف الاصطناعية و الدماغ : من المحتمل أيضًا أن تضيء الخلية العصبية التي تضيء أمام مقطع فيديو لشخص يمسك شيئًا عندما تقرأ كلمة “انتزاع”.

يميل نشاط الخلايا التي يتم تنشيطها لنفس النوع من الإجراء أيضًا إلى التداخل. من المحتمل أيضًا أن تضيء الخلية العصبية التي تضيء أمام مقطع فيديو لشخص يمسك شيئًا عندما تقرأ كلمة “انتزاع”. تميل الخلايا التي تستجيب لعمل مثل الدفع إلى التجمع معًا في نفس المجموعة. بشكل عام ، يتم استخدام الترميز المدمج جزئيًا للوظائف المتشابهة (حركات اليد اليسرى تشبه حركات اليد اليمنى). كما يفصل بين تلك التي تظهر أشكالًا مختلفة من المعالجة العصبية (تختلف حركة الكتف عن حركة اليد).

إقرأ أيضا:شراكة ثقافية بين اليونان والمملكة العربية السعودية

تم توضيح الترميز المشترك والمجمع جزئيًا في بعض مناطق القشرة الترابطية. ستكون هناك حاجة لدراسات لمعرفة ما إذا كانت تظهر أيضًا في المجالات التي تحكم اللغة والتعرف على الأشياء والوظائف التنفيذية. نود أيضًا معرفة ما إذا كانت المنطقة الحسية الأولية ومنطقة القشرة الحركية تستخدمان نفس الهياكل المدمجة جزئيًا.

هدف آخر قصير المدى هو معرفة كيف يمكن للتعلم الجديد أن يؤثر على أداء المتطوعين الذين يستخدمون الطرف الاصطناعي. إذا كان التعلم سهلاً ، فيمكن زرع أي منطقة في الدماغ بأقطاب كهربائية وتدريبها على أي مهمة تؤديها واجهة بين الدماغ والآلة. وبالتالي يمكن أن تتعلم الغرسة في القشرة البصرية الأولية التحكم في المهام غير المرئية. ولكن إذا كان التعلم محدودًا ، فإن الغرسة الموضوعة على سبيل المثال في منطقة حركية لا يمكن تدريبها إلا على المهام الحركية. تشير النتائج المبكرة بشكل عام إلى أنه يجب وضع الغرسة في المنطقة التي تم تحديدها سابقًا على أنها تتحكم في النشاط المعرفي المستهدف.

نقل الأحاسيس

يجب أن يعرف MCI كيفية القيام بأكثر من تلقي إشارات الدماغ ومعالجتها. يجب أيضًا إرسال التعليقات من الطرف الاصطناعي إلى الدماغ. عندما نحاول انتزاع شيء ما ، تساعد الملاحظات المرئية في توجيه اليد نحو الهدف. يعتمد موضع اليد على شكل الجسم. إذا لم تتلقى اليد معلومات عن موضع اللمس أو الطرف عندما تبدأ في التعامل مع الكائن ، فإن الأداء يتدهور بسرعة.

من الضروري تعويض هذا النقص لمتطوعينا الذين عانوا من إصابة في النخاع الشوكي والذين لم يعد بإمكانهم فقط تحريك أجزاء أجسامهم الموجودة أدناه ولكنهم لم يعودوا قادرين على إدراك الإحساس باللمس أو وضع أجسامهم في. الفضاء ، الكثير من العناصر الأساسية لحركة السوائل. لذلك يجب أن يكون البدلة العصبية قادرة على تعويض هذه الخسارة عن طريق إرسال إشارات في كلا الاتجاهين: من الدماغ إلى الآلة ، لنقل نية المتطوع ، ومن الجهاز إلى الدماغ ، لتزويده بالمعلومات والمعلومات اللمسية. الموقف الذي تم التقاطه بواسطة الطرف الآلي.

الأطراف الاصطناعية و الدماغ : عالج روبرت جاونت وزملاؤه في جامعة بيتسبيرغ هذه المشكلة

عالج روبرت جاونت وزملاؤه في جامعة بيتسبيرغ هذه المشكلة عن طريق زرع سلسلة من الأقطاب الكهربائية الدقيقة في شخص مصاب بالشلل الرباعي في القشرة الحسية الجسدية ، وهي المنطقة التي تتم فيها معالجة المعلومات اللمسية من الأطراف. أرسل فريق Gaunt بعد ذلك تيارًا كهربائيًا ضعيفًا عبر هذه الأقطاب الكهربائية الدقيقة ، وشعر الشخص المصاب بأحاسيس على سطح يده.

في المقابل ، استخدمنا غرسات في منطقة القشرة الحسية الجسدية تستقبل الأحاسيس من الذراع. لقد فوجئنا بسرور عندما اكتشفنا أن المريض يعاني من إحساس طبيعي بالضغط والتنصت والاهتزاز على الجلد. شعر أيضًا بتحرك ذراعه – وهو إحساس يتوافق مع الحس العميق. تظهر هذه التجارب أن الأشخاص الذين فقدوا أحاسيس أطرافهم يمكنهم استعادتها بفضل ICMs التي تطبعها في أدمغتهم. ستكون الخطوة التالية هي استخدام أيدي الروبوت المكسوة بأجهزة استشعار لمعرفة ما إذا كانت ردود الفعل الحسية الجسدية تعمل على تحسين مهارة الطرف الآلي تحت سيطرة الدماغ. نرغب أيضًا في معرفة ما إذا كان الأفراد يشعرون بإحساس بالاندماج ، كما لو أن الذراع الآلية أصبحت جزءًا من أجسامهم.

التحدي الرئيسي الآخر هو تحسين قدرة الأقطاب الكهربائية على إرسال واستقبال الإشارات العصبية. لقد وجدنا أن عمليات الزرع تعمل لمدة خمس سنوات تقريبًا. ومع ذلك ، يمكن للأقطاب الكهربائية الأفضل أن تزيد من طول عمر هذه الأنظمة وتزيد من عدد الخلايا العصبية المرتبطة بها. يمكن أن تساعد زيادة طول الأقطاب الكهربائية ، وهي أولوية أخرى ، في الوصول إلى مناطق في ثنايا القشرة.

تحسين الأقطاب الكهربائية

بالإضافة إلى ذلك ، ستعمل الأقطاب الكهربائية المرنة ، التي تتبع الحركات الطفيفة للدماغ ، بسبب التغيرات في ضغط الدم على سبيل المثال ، على تحسين استقرار التسجيلات. اليوم ، يحتاج مفكك الشفرة أحيانًا إلى إعادة معايرة ، حيث يحدث أن تتحرك الأقطاب الصلبة بشكل طفيف بالنسبة للخلايا العصبية من يوم لآخر ، بينما يرغب الباحثون في متابعة نشاط مجموعات متطابقة من الخلايا العصبية على مدى عدة أسابيع أو حتى عدة أشهر.

أخيرًا ، يجب أن تكون الغرسات منمنمة ، وتعمل بطاقة منخفضة (حتى لا تضطر إلى تسخين الدماغ) ولاسلكية ، لتجنب الاضطرار إلى توصيل الأداة بأنسجة المخ. يجب زرع جميع الواجهات الحالية بالجراحة. لكننا نأمل أن يكون هناك يومًا ما واجهات تسجيل وتحفيز قادرة على إرسال واستقبال الإشارات عبر الجمجمة بأداء مساوٍ لأداء الأقطاب الكهربائية الحالية المزروعة جراحيًا.

عندها فقط ، عندما نطور تقنيات غير جراحية يمكنها الكشف بدقة عن نشاط الخلايا العصبية الفردية ، سيتم تحقيق هذا التحسن. هل ستصل ICMs ، التي تم تطويرها بهدف مساعدة المشلولين ، إلى مستوى التكنولوجيا التي تخيلتها كتب الخيال العلمي والأفلام ووسائل الإعلام ، والتي يمكن استخدامها لتحسين وتمكين البشر. “

القوى الخارقة” التي تسمح له بالجري بشكل أسرع و إقفز أعلى؟ في الوقت الحاضر ، ما زلنا بعيدين عن ذلك.

الأطراف الاصطناعية و الدماغ : تنتج الخلايا الجذعية عن طريق الصدمة الحمضية

تتمتع بعض النباتات ، مثل الجزر ، بالقدرة ، في ظل ضغوط بيئية شديدة ، على تحويل خلايا أنسجتها إلى خلايا غير ناضجة وغير متمايزة ، ينمو منها نبات جديد كامل ، له جذور وبراعم. في المملكة الحيوانية ، من ناحية أخرى ، باستثناء البرمائيات ، لم تتم ملاحظة إعادة البرمجة هذه للخلايا الناضجة المتمايزة استجابة للإجهاد الخارجي بشكل واضح … حتى وقت قريب.

نجح هاروكو أوبوكاتا ، من مركز علم الأحياء التنموي في RIKEN ، كوبي باليابان ، وزملاؤه في إعادة برمجة الخلايا من الفئران حديثي الولادة إلى خلايا جذعية متعددة القدرات – خلايا غير ناضجة قادرة على التمايز إلى العديد من أنواع الخلايا – على سبيل المثال ، الإجراء الوحيد للخلايا الخارجية التحفيز ، أي زيادة حموضة وسط الاستزراع.

في السنوات الأخيرة ، عُرِف عن إعادة برمجة خلايا معظم أنسجة الثدييات إلى ما يسمى بالخلايا المحفزة متعددة القدرات ، لكن هذا التحويل يتطلب معالجة اصطناعية تجبر على التعبير عن البروتينات (عوامل استقرائية). تساءل H. Obokata عما إذا كان الإجهاد الخارجي ، مثل ما يحدث في النباتات ، لن يكفي لإعادة برمجة الخلايا المتمايزة للثدييات. للتحقق من ذلك ، عرّضت عالمة الأحياء هذه وزملاؤها ضغوطات مختلفة (القص والحرارة والحرمان من المغذيات والصدمة التناضحية والكالسيوم أو الحمضية وانثقاب الغشاء) لخلايا الجهاز المناعي لفئران عمرها أسبوع واحد ، وخلايا ليمفاوية معروفة بعدم وجود علامة من تعدد القدرات. العديد من هذه الضغوط ، بما في ذلك الصدمة الحمضية والتغيرات الجسدية ،