ملخص: طور الباحثون طريقة جديدة للتحكم في العضلات باستخدام الضوء بدلاً من الكهرباء. تسمح تقنية علم البصريات الوراثي هذه بتحكم أكثر دقة في العضلات وتقلل بشكل كبير من التعب لدى الفئران. على الرغم من أن هذا النهج غير ممكن حاليًا عند البشر، إلا أنه يمكن أن يحدث ثورة في الأطراف الصناعية ويساعد الأفراد الذين يعانون من ضعف وظيفة المفاصل.

مفتاح الحقائق:

• يوفر تحفيز العضلات البصري تحكمًا أكثر دقة من التحفيز الكهربائي.
• تقلل هذه الطريقة بشكل كبير من إرهاق العضلات مقارنة بالطرق التقليدية.
• يعمل الباحثون على إيجاد طرق لتوصيل البروتينات الحساسة للضوء إلى الأنسجة البشرية بشكل آمن.

مصدر: مع

بالنسبة للأشخاص الذين يعانون من السكتة الدماغية أو بتر الأطراف، يمكن للأنظمة التعويضية العصبية التي تحفز بشكل مصطنع تقلص العضلات بالتيار الكهربائي أن تساعد في استعادة وظيفة الأطراف. ومع ذلك، على الرغم من سنوات من البحث، فإن هذا النوع من الأطراف الاصطناعية لا يستخدم على نطاق واسع لأنه يؤدي إلى إرهاق العضلات السريع وضعف التحكم.

طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) نهجا جديدا يأملون أن يوفر يوما ما تحكما أفضل في العضلات مع تعب أقل. فبدلاً من استخدام الكهرباء لتحفيز العضلات، استخدموا الضوء. وفي دراسة أجريت على الفئران، أظهر الباحثون أن تقنية علم البصريات الوراثي هذه توفر تحكمًا أكثر دقة في العضلات، وتقلل من التعب بشكل كبير.

“باستخدام الضوء، من خلال علم البصريات الوراثي، يمكن للمرء التحكم في العضلات بطريقة طبيعية جدًا. وفيما يتعلق بالتطبيق السريري، يمكن أن يكون لهذا النوع من الواجهات تطبيقات واسعة جدًا،” كما تقول كيه. ليزا يانغ، أستاذة فنون وعلوم الإعلام والتعاون. – مدير مركز الإلكترونيات الحيوية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وعضو مشارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هيو هير.

علم البصريات الوراثي هو أسلوب يعتمد على هندسة الخلايا وراثيًا للتعبير عن البروتينات الحساسة للضوء، مما يسمح للباحثين بالتحكم في نشاط تلك الخلايا عن طريق تعريضها للضوء. هذا النهج غير ممكن حاليًا على البشر، لكن هير وطالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا غييرمو هيريرا أرغوس وK. يعمل زملاؤهم في مركز Lisa Yang Bionics الآن على إيجاد طرق لتوصيل البروتينات الحساسة للضوء إلى الأنسجة البشرية بأمان وكفاءة.

هير هو المؤلف الرئيسي للدراسة، التي نشرت اليوم الروبوتات العلمية. هيريرا أرغوس هي المؤلفة الرئيسية لهذه الورقة.

التحكم البصري

لعقود من الزمن، كان الباحثون يستكشفون استخدام التحفيز الكهربائي الوظيفي (FES) للتحكم في عضلات الجسم. تتضمن هذه الطريقة زرع أقطاب كهربائية تحفز الألياف العصبية، مما يتسبب في انقباض العضلات. ومع ذلك، فإن هذا التحفيز يميل إلى تنشيط العضلة بأكملها مرة واحدة، وهي ليست الطريقة التي ينظم بها جسم الإنسان تقلص العضلات بشكل طبيعي.

يقول هير: “يتمتع البشر بدقة التحكم المذهلة هذه، والتي تتحقق من خلال التجنيد الطبيعي للعضلة، حيث يتم تجنيد الوحدات الحركية الصغيرة، ثم المتوسطة، ثم الوحدات الحركية الكبيرة، بهذا الترتيب، مع زيادة قوة الإشارة”. “مع FES، عندما تشعل العضلات بالكهرباء بشكل مصطنع، يتم تجنيد أكبر الوحدات أولاً. لذلك، عندما تزيد الإشارة، في البداية لا تحصل على أي قوة، ثم فجأة تحصل على الكثير من القوة.

هذه القوة الكبيرة لا تجعل من الصعب تحقيق تحكم أفضل في العضلات فحسب، بل إنها تؤدي أيضًا إلى إرهاق العضلات بسرعة خلال خمس أو 10 دقائق.

أراد فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا معرفة ما إذا كان بإمكانهم استبدال هذه الواجهة بأكملها بشيء آخر. وبدلاً من الأقطاب الكهربائية، قرروا محاولة التحكم في تقلص العضلات من خلال علم البصريات الوراثي باستخدام الآلات الجزيئية الضوئية.

باستخدام الفئران كنموذج حيواني، قارن الباحثون مقدار القوة العضلية التي يمكن توليدها باستخدام نهج FES التقليدي مع القوى الناتجة عن طريقتهم في علم البصريات الوراثي. بالنسبة لدراسات علم البصريات الوراثي، استخدموا فئرانًا تم تعديلها وراثيًا بالفعل للتعبير عن بروتين حساس للضوء يسمى Channelrhodopsin-2. وقاموا بزراعة مصدر ضوء صغير بالقرب من العصب الظنبوبي، الذي يتحكم في عضلات أسفل الساق.

قام الباحثون بقياس قوة العضلات أثناء زيادة مقدار التحفيز الضوئي تدريجيًا، ووجدوا أنه، على عكس تحفيز FES، أنتج التحكم البصري الوراثي زيادة مطردة وتدريجية في تقلص العضلات.

“عندما نغير التحفيز البصري الذي نعطيه للعصب، يمكننا التحكم في قوة العضلات بطريقة متناسبة وخطية تقريبًا. إنها تشبه الطريقة التي تتحكم بها الإشارات الصادرة من دماغنا في عضلاتنا. ولهذا السبب، يصبح من الأسهل يقول هيريرا أرغوس: “التحكم في العضلات مقارنة بالتحفيز الكهربائي”.

مكافحة التعب

وباستخدام بيانات من تلك التجارب، طور الباحثون نموذجًا رياضيًا للتحكم في العضلات الوراثية. يربط هذا النموذج كمية الضوء التي تدخل النظام بمخرجات (مقدار القوة المنتجة) للعضلة.

سمح هذا النموذج الرياضي للباحثين بتصميم وحدة تحكم ذات حلقة مغلقة. في هذا النوع من النظام، توفر وحدة التحكم إشارة تحفيز، وبعد انقباض العضلات، يمكن لجهاز الاستشعار اكتشاف مقدار القوة التي تمارسها العضلات. يتم تغذية هذه المعلومات مرة أخرى إلى وحدة التحكم، التي تحسب مقدار الحافز الضوئي، إن وجد، الذي يحتاج إلى تعديل لتحقيق الطاقة المطلوبة.

وباستخدام هذا النوع من التحكم، وجد الباحثون أنه يمكن تحفيز العضلات قبل أكثر من ساعة من الشعور بالتعب، بينما باستخدام تحفيز FES للعضلات المرهقة بعد 15 دقيقة.

إحدى العقبات التي يعالجها الباحثون الآن هي كيفية توصيل البروتينات الحساسة للضوء بأمان إلى الأنسجة البشرية. قبل عدة سنوات، أفاد مختبر هير أنه في الفئران، يمكن لهذه البروتينات أن تؤدي إلى استجابة مناعية تؤدي إلى تعطيل البروتينات وتؤدي إلى هزال العضلات وموت الخلايا.

يقول هير: “إن الهدف الرئيسي لمركز K. Lisa Yang Bionics هو حل هذه المشكلة”. “هناك جهود متعددة الأوجه جارية لتصميم بروتينات جديدة حساسة للضوء، واستراتيجيات لتوصيلها دون إحداث استجابة مناعية.”

وكخطوات إضافية نحو الوصول إلى المرضى من البشر، يعمل مختبر هير على أجهزة استشعار جديدة يمكن استخدامها لقياس قوة العضلات وطولها، بالإضافة إلى طرق جديدة لتحديد موضع مصدر الضوء. وفي حالة نجاحها، يأمل الباحثون أن تفيد استراتيجيتهم الأشخاص الذين عانوا من السكتات الدماغية وبتر الأطراف وإصابات النخاع الشوكي، بالإضافة إلى الآخرين الذين لديهم قدرة منخفضة على التحكم في أطرافهم.

يقول هير: “قد يؤدي هذا إلى استراتيجية طفيفة التوغل يمكن أن تغير قواعد اللعبة فيما يتعلق بالرعاية السريرية للأشخاص المصابين بالتهاب المفاصل”.

تمويل: K. في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لهذا البحث. بتمويل من مركز ليزا يانغ للإلكترونيات.

حول أخبار أبحاث علم البصريات الوراثية وعلم الأعصاب

مؤلف: ميلاني كراتوس
مصدر: مع
اتصال: ميلاني كراتوس – معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
صورة: يُنسب الفيلم إلى Neuronews

البحث الأصلي: وصول مغلق.
“يتيح التعديل العصبي البصري الوراثي ذو الحلقة المغلقة التحكم في العضلات بدقة عالية ومقاومة للتعبهيو هير وآخرون. الروبوتات العلمية

ملخص

يتيح التعديل العصبي البصري الوراثي ذو الحلقة المغلقة التحكم في العضلات بدقة عالية ومقاومة للتعب

تُظهر الأطراف الاصطناعية العصبية ذات الحلقة المغلقة نتائج واعدة في استعادة الحركة لدى الأفراد الذين يعانون من حالات عصبية.

ومع ذلك، فإن استراتيجيات التنشيط التقليدية القائمة على التحفيز الكهربائي الوظيفي (FES) تفشل في تعديل قوة العضلات بدقة وتظهر التعب السريع بسبب آلية التوظيف الفسيولوجية الخاصة بها.

هنا، نقدم بنية تحكم مغلقة الحلقة تعمل على تحسين تعديل القوة الفسيولوجية في ظل التحفيز البصري الوراثي الوظيفي (FOS) لتمكين التحكم في العضلات عالي الدقة على مدى فترات طويلة من الزمن (> 60 دقيقة) في الجسم الحي.

اكتشفنا أولاً خاصية تعديل القوة في FOS، مما يُظهر تجنيدًا فسيولوجيًا أكبر وعتبات تعديل أعلى بكثير (> 320٪) مقارنةً بـ FES.

ثانيًا، قمنا بتطوير نموذج عصبي عضلي يصف بدقة الديناميكيات غير الخطية للغاية للعضلات المحفزة بصريًا.

ثالثًا، استنادًا إلى النموذج البصري الوراثي، أظهرنا التحكم في قوة العضلات في الوقت الفعلي مع تحسين الأداء ومقاومة التعب مقارنةً بـ FES.

يضع هذا العمل الأساس للأطراف الاصطناعية العصبية المقاومة للتعب والروبوتات الهجينة الحيوية التي يتم التحكم فيها عن طريق الجينات الضوئية مع تعديل القوة عالي الدقة.