مهندسی مغز و اعصاب (Neuaral Engineering) یکی از حوزه‌های نوظهور در شاخه‌های مهندسی است. در این مقاله از تریتا این حوزه را مورد بررسی قرار می‌دهیم و برخی از نمونه کارهای انجام شده این رشته را خواهیم دید. با ما همراه باشید.
مهندسی مغز و اعصاب چیست؟ | ?What is neural engineering
مهندسی مغز و اعصاب (Neural Engineering) زمینه‌ای است که به سرعت در حال تحول است. مهندسی مغز و اعصاب (Neural Engineering)، به معنی طراحی ایمپلنت‌های مغزی‌ای است که متصل به یک فناوری خارجی مبتنی بر بازگرداندن و افزایش عملکرد انسان از طریق تعامل مستقیم بین سیستم عصبی و دستگاه‌های مصنوعی هستند. در حال حاضر، تحقیقات گسترده‌ای برای مطالعه کدگذاری و پردازش اطلاعات در سیستم‌های حسی و حرکتی در حال انجام است تا بتوان این اطلاعات را از طریق تعامل با دستگاه‌های مهندسی، از جمله رابط مغز-کامپیوتر (BCI) و نوروپروتزها دستکاری کرد.
دستگاه‌های مهندسی مغز و اعصاب (Neural Engineering)، برای کاربردهای خاص مانند بازسازی آسیب‌دیدگی‌های عصب محیطی، بافت نخاع و بافت شبکیه به کار می‌روند. برای توسعه این دستگاه‌ها، مهندسان مغز و اعصاب باید دانش عمیقی از چگونگی عملکرد سیستم عصبی و سوء عملکرد‌های آن داشته باشند. آن‌ها سیگنال‌های شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی و نوری‌ای را رمزگشایی می‌کنند که مسئول پتانسیل‌های میدانی خارج سلولی و انتقال سیناپسی در بافت عصبی هستند.
برای درک ویژگی‌های فعالیت سیستم عصبی، از تکنیک‌های پردازش سیگنال و مدل‌سازی محاسباتی استفاده می‌شود. برای پردازش این سیگنال‌ها، فرایندی به نام کدگذاری عصبی انجام می‌شود که طی آن، ولتاژها در طول غشاهای عصبی به کد مربوطه تبدیل می‌شوند. این فرآیند مربوط به تجزیه و تحلیل حرکت و پدیده‌های حسی با درک این موضوع است که چگونه مغز دستورهای ساده را به شکل الگوهای مولد مرکز (Central Pattern Generators) یا CPGs، بردارهای حرکت، مدل داخلی مخچه‌ای و نقشه‌های سوماتوپیک رمزگذاری می‌کند.
اصلاح ناهنجاری‌های سیستم عصبی مرکزی به کمک مهندسی مغز و اعصاب (Neural Engineering)
در مهندسی مغز و اعصاب (Neural Engineering)، علوم اعصاب و مهندسی کنار یکدیگر قرار می‌گیرند تا عملکرد سیستم عصبی مرکزی و محیطی را بررسی کنند و راه‌حل‌های بالینی برای مشکلاتی که به سبب آسیب‌های مغزی یا نقص عملکرد به وجود آمده‌اند، پیدا کنند.
در سال‌های اخیر شاهد پیشرفت عظیمی در تکنولوژی‌های مربوط به مهندسی پزشکی بوده‌ایم که می‌توانند فعالیت سیستم عصبی را با انتقال عوامل دارویی، سیگنال‌های الکتریکی یا دیگر انواع محرک‌های انرژی برای برقراری مجدد تعادل در مناطق آسیب‌دیده‌ی مغز، افزایش یا سرکوب کنند. پیشرفت‌های این تکنولوژی منجر به انتقال و تجزیه و تحلیل این سیگنال‌ها با حساسیت، زیست‌سازگاری و قابلیت ماندگاری بالاتر در چرخه‌های بسته‌ی مغز شده است. به این ترتیب، درمان‌های و کاربردهای بالینی جدیدی می‌توانند برای درمان کسانی که از انواع مختلف آسیب‌های عصبی رنج می‌برند، ایجاد شوند. مثلا دستگاه‌های تعدیل‌کننده عصبی در اصلاح اختلال عملکرد سیستم عصبی مربوط به بیماری پارکینسون، دیستونی، لرزش، درد مزمن، اختلال وسواس، افسردگی شدید و صرع مفید هستند.
اخیرا، تعدیل عصبی، توجه را برای درمان نقص‌های مختلف به خود جلب کرده است چون تنها بر درمان نواحی بسیار خاص مغز تمرکز می‌کند که با درمان‌های سیستمیک که می‌توانند عوارض جانبی بر بدن داشته باشند، متفاوت است. محرک‌های تعدیل‌کننده عصبی نظیر آرایه‌های میکرو الکترودی می‌توانند هم عملکرد مغز را تحریک و هم آن را ثبت کنند. این دستگاه‌ها، به عنوان دستگاه‌هایی برای دارورسانی و ایجاد دیگر تحریکات مغزی، در حال ظهور هستند.
رابط‌های عصبی و نوروپروتزها
رابط‌های عصبی (Neural interface) به مطالعه سیستم‌های عصبی‌ای مربوط است که با هدف افزایش یا جایگزینی عملکرد نورون‌ها با دستگاه‌های مهندسی، می‌توانند به صورت انتخابی از مدارهای الکترونیکی خود، برای جمع‌آوری اطلاعات از فعالیت سیستم عصبی استفاده کنند. آن‌ها می‌توانند مناطق مشخصی را تحریک کنند تا عملکرد و یا احساس آن بافت را احیا کنند. این دستگاه‌ها، مانند آرایه‌های میکرو الکترودی، می‌توانند با استفاده از موادی کار کنند که با خواص مکانیکی بافت عصبی که در آن قرار داده می‌شوند، مطابقت دارند. نکته کلیدی،نحوه مدیریت پاسخ بدن به این مواد خارجی است.
نوروپروتزها دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند با تحریک سیستم عصبی و ثبت فعالیت آن، کارکردهای از دست رفته سیستم عصبی را تکمیل یا جایگزین کنند. در این جا، الکترودها می‌توانند با دستگاه‌های مصنوعی ادغام شوند و با سیگنال‌دهی به آن‌ها، موجب انجام گرفتن کنش یا واکنش مربوط به سیگنال در حال انتقال شوند.
پروتزهای حسی، برای جایگزینی ورودی‌های عصبی که ممکن است از بین رفته باشند، از سنسورهای مصنوعی استفاده می‌کنند. مهندسان مغز و اعصاب که این دستگاه‌ها را طراحی می‌کنند، وظیفه‌ی فراهم کردن یک رابط مصنوعی، ایمن و بلند مدت با بافت عصبی را بر عهده دارند.
در این جا با برخی از این پروتزها آشنا می‌شویم:
- شاید موفق‌ترین پروتزهای حسی، ایمپلنت حلزونی گوش باشد که امکان شنیدن را به ناشنوایان باز می‌گرداند.
- پروتزهای بینایی نیز برای بازگرداندن قابلیت‌های بصری افراد نابینا، در حال توسعه هستند.
- پروتزهای حرکتی نیز، بر اساس تحریکِ الکتریکیِ عملکردیِ سیستمِ ماهیچه‌ایِ عصبی کار می‌کنند که می‌توانند جایگزین مکانیزم‌های کنترلی مغز یا نخاع شوند. هدف از «تحریک الکتریکی عملکردی»، بازگرداندن فرایندهای حرکتی مانند ایستادن، راه رفتن و گرفتن دست است.
- پروتزهای هوشمند هم می‌توانند با پیوند دادن اعصاب از ناحیه قطع عضو به عضلات، جایگزین اندام‌های از دست رفته شوند. آن‌ها می‌توانند سیگنال‌ها را تفسیر کرده و سپس اندام مصنوعی را کنترل کنند.
رابط مغز-کامپیوتر (BCI)
BCI تکنیکی است که ارتباط مستقیمی با سیستم عصبی انسان برای نظارت و تحریک مدارهای عصبی و تشخیص و درمان اختلالات عصبی ذاتی ایجاد می‌کند. محبوب‌ترین روش در این زمینه تحریک عمقی مغز (DBS) است که به طور خاص در درمان اختلالات حرکتی با تحریک فرکانس بالای بافت عصبی برای سرکوب لرزش‌ها موثر است.
تقویت سیستم‌های عصبی انسان یا «ارتقا انسان» با استفاده از تکنیک‌های مهندسی، یک کاربرد بسیار مفید از مهندسی مغز و اعصاب (Neural Engineering) است. نشان داده شده است که تحریک عمقی مغز، یادآوری حافظه را در بیمارانی که از این درمان برای اختلالات عصبی استفاده می‌کنند، موثر است و می‌تواند علاوه بر افزایش دادن انگیره و کاهش دادن محدودیت‌های ایجاد شده برای بیمار، احساسات و شخصیت را هم شکل دهد.
در تریتا در مورد رابط مغز-کامپیوتر و همچنین تحریک عمقی مغز مطالبی نوشته‌ایم که می‌توانید آن‌ها را مطالعه کنید.
جمع‌بندی
دستگاه‌های نوظهور حوزه مهندسی مغز و اعصاب (Neural Engineering)، کاربردهای جدیدی در زندگی روزمره بیماران در خانه پیدا خواهند کرد. مهندسان در سراسر جهان در حال کار بر روی دستگاه‌های تاثیرگذار مانند ویلچر و توسعه الگوریتم‌های قوی‌تر و دقیق‌تر برای انجام حرکات پیچیده‌تر هستند.هدف بلندمدت دستگاه‌های مهندسی پزشکی، شناسایی زمینه‌هایی است که در آن‌ها، BCI می‌تواند برای ایجاد سیستم‌های جایگزین برای انواع مختلف ناتوانی‌های حرکتی مورد استفاده قرار گیرد و به بیماران استقلال بیشتری در زندگی روزمره خود بدهد.
منبع: EngineeersGarage
ممنون از مطلب مفیدتون
توی ایران این رشته رو نداریم. شاید بتونیم با رشته علوم شناختی یا علوم اعصاب کار مشابه این رشته رو انجام بدیم.
در سال‌های اخیر، تحقیقات زیادی در این زمنیه انجام گرفته و می‌توان از طریق رشته مهندسی پزشکی در این حیطه فعالیت کرد. همچنین از سال گذشته رشته مهندسی عصبی-شناختی معرفی شده است.