تم إنشاء مستقبل اصطناعي لديه حساسية للألم

كشف باحثون من جامعة نورث إيست نورمال في الصين عن مستقبل صناعي للألم لا يستجيب للضغط فحسب، بل قادر على اكتشاف شدة الألم والتعافي من الضرر. تم نشر العمل في المجلة مواد وظيفية متقدمة ويمكن أن يكون خطوة مهمة في تطوير الأطراف الاصطناعية العصبية والواجهات بين الإنسان والآلة.

كيف يعمل الشعور بالألم؟

في الجسم، تكون مستقبلات الألم مسؤولة عن إدراك الألم – وهي نهايات عصبية متخصصة منتشرة في جميع أنحاء الجسم. فهي تستجيب للتأثيرات الميكانيكية أو درجة الحرارة أو المواد الكيميائية الخطيرة، وتنقل الإشارات إلى الدماغ، مما يساعد على تجنب الإصابة. إن إعادة إنشاء مثل هذه الآلية بشكل مصطنع كان هدفًا طويل الأمد للمهندسين العصبيين، ولكن حتى الآن، كانت الحلول إما بدائية للغاية أو معقدة للغاية.

Memristor بدلا من العصب

يعتمد التطور الجديد على الميمريستور، وهو مكون إلكتروني مصغر يمكنه “تذكر” تاريخ تدفق التيار. على عكس العناصر الإلكترونية التقليدية، يغير الممرستور موصليته اعتمادًا على التأثيرات السابقة، مما يجعله مشابهًا بشكل خاص للمشابك العصبية في الجهاز العصبي.

وكان التأثير الرئيسي هو الموصلية الكمية. وهذا يعني أن التيار في الجهاز لا يتغير بسلاسة بل على مراحل. بفضل هذا، توقف المستقبل الاصطناعي عن أن يكون مفتاحًا بسيطًا “يوجد ألم – لا يوجد ألم” وبدأ في التمييز بين أربعة مستويات من التأثير: لا يوجد ألم، خفيف، معتدل وقوي – على غرار الطريقة التي يفعل بها الشخص.

كيف يعمل هذا

قام العلماء بتجميع نظام من نوعين من أفلام الجيلاتين. تم استخدام هلام أكثر كثافة كمستشعر للضغط، وتم استخدام هلام أقل تركيزًا في جزء الممرستور. ومن خلال ربطها في سلسلة، حصل الباحثون على “عصب اصطناعي” مرن يستجيب للضغط الميكانيكي.

وقد أظهرت الاختبارات أن النظام يميز بشكل موثوق الضغط في نطاق من 9 إلى 45 كيلو باسكال، ومقارنته بكثافة مختلفة من الألم الذي يعاني منه الشخص. ومع ذلك، فإن المستقبل لا “يعتاد” على المحفزات المتكررة، على عكس العديد من مستقبلات الألم البيولوجية.

الشفاء الذاتي بعد الضرر

إحدى الميزات الرئيسية للجهاز هي قدرته على التعافي. خلال التجارب، تم إجراء قطع مجهرية يصل عرضها إلى 50 ميكرومترًا في أجهزة الاستشعار الهلامية. وبعد التسخين إلى 60 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة، اختفى الضرر وعادت الخصائص الكهربائية إلى مستواها الأصلي.

تعتبر هذه الخاصية مهمة بشكل خاص بالنسبة للأطراف الصناعية والإلكترونيات المرنة، والتي تكون حتمًا عرضة للتآكل في ظروف العالم الحقيقي.

ولضمان التوافق الحيوي للنظام، قام الباحثون بتوصيل جهاز استشعار صناعي للألم بالعصب الوركي لفأر مخدر. عندما تم الضغط على المستشعر، تم توليد إشارات كهربائية تسببت في تقلص العضلات، وهي استجابة مشابهة لمنعكس التجنب الطبيعي.

لماذا هذا ضروري؟

وفقًا لمؤلفي العمل، يمكن لهذه الأنظمة الإلكترونية الحيوية أن تغير بشكل جذري النهج المتبع في إنشاء الأطراف الاصطناعية وأجهزة إعادة التأهيل والروبوتات. إن القدرة على التمييز بين قوة التأثير والتعافي من الضرر تجعل مستقبلات الألم الاصطناعية أقرب بكثير إلى الأنسجة الحية من جميع نظائرها السابقة.