ابتكر باحثون في جامعة لينشوبينغ (LiU) بالسويد خلية عصبية عضوية اصطناعية تحاكي عن كثب خصائص الخلايا العصبية البيولوجية. يمكن لهذه الخلايا العصبية الاصطناعية أن تحفز الأعصاب الطبيعية، مما يجعلها تقنية واعدة للعلاجات الطبية المختلفة في المستقبل.
تحمل الأعصاب الحسية المعلومات من العالم الخارجي إلى النخاع الشوكي والدماغ. على وجه الخصوص، تتحقق قدرتنا على إدراك الإحساس باللمس من خلال نوع من نهاية العصب الحسي يسمى المستقبلات الميكانيكية الموجودة في جلدنا. عندما يتم الضغط على الجلد، تستجيب المستقبلات الميكانيكية عن طريق تغيير جهدها الكهربائي (أي مقياس للطاقة الكهربائية). يتم الجمع بين الفولتية من المستقبلات الميكانيكية المتعددة وتنتقل إلى خلية عصبية. عند عتبة جهد معينة، تولد الخلايا العصبية نبضات كهربائية متكررة يتم إرسالها إلى الخلايا العصبية الأخرى عبر تقاطعات تسمى المشابك العصبية، وتصل في النهاية إلى الخلايا العصبية في الدماغ لتسجيل الإحساس باللمس. يتم تحديد التردد الذي تتولد فيه النبضات الكهربائية (تقاس بالهرتز، أي عدد النبضات في الثانية) بالضغط المطبق. تنتقل هذه النبضات الكهربائية في النهاية إلى الدماغ ويعالجها ليشعر بضغط المنبه الخارجي، وفقًا لترددات النبض.
الأعصاب الاصطناعية
يتكون العصب الحسي الاصطناعي من مستشعرات ضغط مقاومة، ومذبذبات حلقة، وترانزستور متشابك، يتوافق مع المستقبلات الميكانيكية البيولوجية، والخلايا العصبية، والمشابك، على التوالي. يمكن تسجيل إشارة من الترانزستور المشبكي في جهاز كمبيوتر (مماثل للدماغ).
يستمر العمل على تطوير خلايا عصبية اصطناعية وظيفية بشكل متزايد في مختبر الإلكترونيات العضوية LOE. ففي عام 2022، أظهر فريق من العلماء بقيادة الأستاذ المساعد سيمون فابيانو، كيف يمكن دمج خلية عصبية عضوية صناعية في نبات آكل لحوم حي للتحكم في فتح وإغلاق الفك. اجتمعت هذه الخلية العصبية الاصطناعية مع اثنتين من الخصائص العشرين التي تميزها عن الخلية العصبية البيولوجية.
في دراستهم الأخيرة التي نُشرت في مجلة Nature Materials، طور نفس الباحثين في جامعة لينشوبينغ خلية عصبية اصطناعية جديدة تسمى "الخلايا العصبية الكهروكيميائية العضوية القائمة على التوصيل" أو c-OECN ، والتي تحاكي عن كثب 15 من السمات العصبية العشرين التي تميز الخلايا العصبية البيولوجية، ما يجعل عملها أكثر تشابهاً مع الخلايا العصبية الطبيعية.
"أحد التحديات الرئيسية في إنشاء الخلايا العصبية الاصطناعية التي تحاكي بشكل فعال الخلايا العصبية البيولوجية الحقيقية، هو القدرة على دمج تعديل الأيونات. يمكن للخلايا العصبية الاصطناعية التقليدية المصنوعة من السيليكون أن تحاكي العديد من الميزات العصبية، ولكنها لا تستطيع التواصل من خلال الأيونات. "وعلى النقيض من ذلك، تستخدم c-OECN الأيونات التي توضح العديد من السمات الرئيسية للخلايا العصبية البيولوجية الحقيقية"، كما يقول سيمون فابيانو، الباحث الرئيسي في مجموعة الإلكترونيات النانوية العضوية في جامعة لينشوبينغ.
إن الأقطاب المضادة للضبط الأيوني في البوليمرات الموصلة للأيونات المختلطة من الخلايا العصبية الكهروكيميائية يمكنها أن تُمكّن العضوية الواقعية.
في عام 2018، كانت هذه المجموعة البحثية في جامعة لينشوبينغ واحدة من أولى المجموعات التي طورت ترانزستورات كهروكيميائية عضوية تعتمد على البوليمرات الموصلة من النوع n ، وهي مواد يمكنها نقل شحنات سالبة. هذا جعل من الممكن بناء دوائر كهروكيميائية عضوية تكميلية قابلة للطباعة. منذ ذلك الحين، تعمل المجموعة على تحسين هذه الترانزستورات، بحيث يمكن طباعتها في مطبعة على رقاقة بلاستيكية رقيقة. نتيجة لذلك، أصبح من الممكن الآن طباعة آلاف الترانزستورات على ركيزة مرنة واستخدامها لتطوير خلايا عصبية اصطناعية.
في الخلايا العصبية الاصطناعية المطورة حديثاً، تُستخدم الأيونات للتحكم في تدفق التيار الإلكتروني من خلال بوليمر موصل من النوع n ، ما يؤدي إلى طفرات في جهد الجهاز. هذه العملية مشابهة لتلك التي تحدث في الخلايا العصبية البيولوجية. تسمح المادة الفريدة في الخلية العصبية الاصطناعية أيضاً بزيادة التيار وتقليله في منحنى شبه جرس مثالي يشبه تنشيط وتعطيل قنوات أيون الصوديوم الموجودة في علم الأحياء.
يقول سيمون فابيانو: تُظهر عدة بوليمرات أخرى هذا السلوك، لكن البوليمرات الصلبة فقط هي التي تتحمل الفوضى، ما يتيح تشغيل الجهاز المستقر.
في التجارب التي أجريت بالتعاون مع معهد كارولينسكا (KI)، تم ربط الخلايا العصبية الجديدة c-OECN بالعصب المبهم للفئران. أظهرت النتائج أن الخلايا العصبية الاصطناعية يمكن أن تحفز أعصاب الفئران، مما يتسبب في تغير بنسبة 4.5% في معدل ضربات القلب. يمكن لحقيقة أن الخلايا العصبية الاصطناعية أن تحفز العصب المبهم نفسه، على المدى الطويل، يمكن أن تمهد الطريق لتطبيقات أساسية في أشكال مختلفة من العلاج الطبي. بشكل عام، تتمتع أشباه الموصلات العضوية بميزة كونها متوافقة حيوياً ولينة ومرنة، بينما يلعب العصب المبهم دوراً رئيسياً، على سبيل المثال، في نظام المناعة والتمثيل الغذائي في الجسم.
ستكون الخطوة التالية للباحثين هي تقليل استهلاك الطاقة للخلايا العصبية الاصطناعية، والتي لا تزال أعلى بكثير من استهلاك الخلايا العصبية البشرية. لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لتكرار الطبيعة بشكل مصطنع.
"ما زلنا لا نفهم الكثير عن الدماغ البشري والخلايا العصبية. في الواقع، لا نعرف كيف تستفيد الخلية العصبية من العديد من هذه الميزات الخمسة عشرة الموضحة. يمكن لتقليد الخلايا العصبية أن يمكّننا من فهم الدماغ بشكل أفضل وبناء دوائر قادرة على أداء المهام الذكية. لا يزال أمامنا طريق طويل، ولكن هذه الدراسة بداية جيدة"، كما يقول بادينهار شولاكال هاريكيش، باحث ما بعد الدكتوراه والمؤلف الرئيسي للورقة العلمية.
----