المادة الكهرومغناطيسية هي الأولى من نوعها القادرة على تحفيز الأنسجة العصبية بشكل مباشر.
لقد أدرك الباحثون منذ فترة طويلة الإمكانات العلاجية لاستخدام المواد الكهربائية المغناطيسية - المواد التي يمكن أن تدور المجالات المغناطيسية إلى مجالات كهربائية ⎯ لتحفيز الأنسجة العصبية بأقل قدر من التدخل الجراحي والمساعدة في علاج الاضطرابات العصبية أو تلف الأعصاب.
لكن المشكلة تكمن في أن الخلايا العصبية تجد صعوبة في الاستجابة لشكل وتكرار الإشارة الكهربائية الناتجة عن هذا التحويل.
مهندس أعصاب بجامعة رايس جاكوب روبنسون وصمم فريقه أول مادة كهرومغناطيسية تحل هذه المشكلة وتقوم بإجراء تحويل مغناطيسي إلى كهربائي أسرع بـ 120 مرة من المواد المماثلة.
وفقًا دراسة وأظهر الباحثون، الذين نشروا في مجلة Nature Materials، أن المادة يمكن استخدامها لتحفيز الخلايا العصبية بدقة عن بعد ولسد الفجوة في العصب الوركي المكسور في نموذج الفئران.
وقال روبنسون إن خصائص المادة وأدائها يمكن أن يؤثر بشكل عميق على علاجات التحفيز العصبي، مما يجعل الإجراءات أقل تدخلاً بشكل ملحوظ. بدلاً من زرع جهاز تحفيز عصبي، يمكن ببساطة حقن كميات صغيرة من المادة في الموقع المطلوب.
علاوة على ذلك، ونظرًا لنطاق تطبيقات الكهرباء المغناطيسية في الحوسبة والاستشعار والإلكترونيات وغيرها من المجالات، فإن البحث يوفر إطارًا لتصميم المواد المتقدمة التي يمكن أن تدفع الابتكار على نطاق أوسع.
"لقد سألنا: هل يمكننا صنع مادة يمكن أن تكون مثل الغبار أو صغيرة جدًا بحيث أنه من خلال وضع رشة منها فقط داخل الجسم، يمكنك تحفيز الدماغ أو الجهاز العصبي؟"، قال. جوشوا تشين، خريج دكتوراه في جامعة رايس وهو مؤلف رئيسي في الدراسة.
"مع وضع هذا السؤال في الاعتبار، اعتقدنا أن المواد الكهرومغناطيسية كانت مرشحة مثالية للاستخدام في التحفيز العصبي. إنها تستجيب للمجالات المغناطيسية، التي تخترق الجسم بسهولة، وتحولها إلى مجالات كهربائية - وهي لغة يستخدمها نظامنا العصبي بالفعل لنقل المعلومات.
بدأ الباحثون بمادة كهرومغناطيسية مكونة من أ كهربيضغطي كهربي إجهادي طبقة من تيتانات الزركونيوم الرصاص محصورة بين اثنين مقيد مغناطيسي طبقات من سبائك الزجاج المعدني، أو ميتجلاس، والتي يمكن ممغنطتها وإزالة مغناطيسيتها بسرعة.
جوري بهافي، باحثة سابقة في مختبر روبنسون وتعمل الآن فيه التكنلوجيا وأوضح نقل لكلية بايلور للطب أن عنصر التقييد المغناطيسي يهتز مع تطبيق مجال مغناطيسي.
وقال بهافي: "هذا الاهتزاز يعني أنه يغير شكله بشكل أساسي". "إن المادة الكهرضغطية هي شيء يولد الكهرباء عندما يغير شكله. لذلك عندما يتم الجمع بين هذين الاثنين، فإن التحويل الذي تحصل عليه هو أن المجال المغناطيسي الذي تطبقه من خارج الجسم يتحول إلى مجال كهربائي.
ومع ذلك، فإن الإشارات الكهربائية للكهرباء المغناطيسية سريعة جدًا وموحدة بحيث لا يمكن للخلايا العصبية اكتشافها. كان التحدي يتمثل في هندسة مادة جديدة يمكنها توليد إشارة كهربائية من شأنها أن تجعل الخلايا تستجيب بالفعل.
وقال روبنسون: "بالنسبة لجميع المواد الكهرومغناطيسية الأخرى، فإن العلاقة بين المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي خطية، وما نحتاجه هو مادة تكون فيها هذه العلاقة غير خطية". "كان علينا أن نفكر في أنواع المواد التي يمكن أن نضعها في هذا الفيلم والتي من شأنها أن تخلق تلك الاستجابة غير الخطية."
قام الباحثون بوضع طبقات من البلاتين وأكسيد الهافنيوم وأكسيد الزنك وأضافوا المواد المكدسة فوق الفيلم الكهرومغناطيسي الأصلي. وكان أحد التحديات التي واجهوها هو إيجاد تقنيات تصنيع متوافقة مع المواد.
وقال روبنسون: "لقد تم بذل الكثير من العمل في صنع هذه الطبقة الرقيقة للغاية التي يقل سمكها عن 200 نانومتر، والتي تمنحنا الخصائص المميزة حقًا".
تعد المواد الخارقة غير الخطية الكهرومغناطيسية أسرع 120 مرة في تحفيز النشاط العصبي من المواد المغناطيسية المستخدمة سابقًا. حقوق الصورة: مختبر روبنسون/جامعة رايس
وأضاف بهافي: "لقد أدى هذا إلى تقليل حجم الجهاز بأكمله بحيث يمكن حقنه في المستقبل".
وكدليل على المفهوم، استخدم الباحثون المادة لتحفيز الأعصاب الطرفية لدى الفئران وأظهروا إمكانية استخدام المادة في الأطراف الاصطناعية العصبية من خلال إظهار أنها يمكن أن تستعيد الوظيفة في العصب المقطوع.
وقال تشين: "يمكننا استخدام هذه المادة الخارقة لسد الفجوة في العصب المكسور واستعادة سرعات الإشارة الكهربائية السريعة".
"بشكل عام، تمكنا من تصميم مادة خارقة جديدة بشكل عقلاني تتغلب على العديد من التحديات في مجال التكنولوجيا العصبية. والأهم من ذلك، أنه يمكن تطبيق إطار تصميم المواد المتقدم هذا على تطبيقات أخرى مثل الاستشعار والذاكرة في الإلكترونيات.
وقال روبنسون، الذي اعتمد على رسالة الدكتوراه الخاصة به في الضوئيات كمصدر إلهام له في هندسة المواد الجديدة، إنه يجد "من المثير حقًا أن نتمكن الآن من تصميم أجهزة أو أنظمة باستخدام مواد لم تكن موجودة من قبل بدلاً من أن تقتصر على تلك الموجودة في الطبيعة".
قال روبنسون، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر والهندسة الحيوية: “بمجرد اكتشاف مادة أو فئة جديدة من المواد، أعتقد أنه من الصعب حقًا توقع جميع الاستخدامات المحتملة لها”. "لقد ركزنا على الإلكترونيات الحيوية، لكنني أتوقع أنه قد يكون هناك العديد من التطبيقات خارج هذا المجال."
المصدر جامعة رايس
