ابتكر العلماء زرعًا لاسلكيًا ناعمًا يستخدم ومضات صغيرة من الضوء لإرسال المعلومات مباشرة إلى الدماغ، مما يسمح للحيوانات بتعلم إشارات صناعية جديدة تمامًا. ومن خلال إضاءة أنماط محددة عبر القشرة الدماغية، يقوم النظام بتعليم الدماغ تفسير هذه الومضات على أنها إشارات ذات معنى توجه القرارات والسلوك.

الباحثون في جامعة نورث وسترن لقد أحدثوا تقدمًا كبيرًا في علم الأحياء العصبي والإلكترونيات الحيوية من خلال إنشاء جهاز لاسلكي يستخدم الضوء لنقل المعلومات مباشرة إلى الدماغ. يتحرك هذا النهج حول المسارات الحسية التقليدية للجسم ويتفاعل بدلاً من ذلك مع الخلايا العصبية مباشرة.

النظام ناعم ومرن ويناسب أسفل فروة الرأس بينما يستريح على الجمجمة. ومن هذا الموضع، يمكنه عرض أنماط ضوئية مبرمجة بعناية عبر العظم لتحفيز الخلايا العصبية عبر مناطق واسعة من القشرة.

الإشارات المستندة إلى الضوء تعلم الدماغ معلومات جديدة

أثناء الاختبار، استخدم العلماء دفعات صغيرة من الضوء المنقوش لتنشيط مجموعات محددة من الخلايا العصبية في نماذج الفئران. (يتم تعديل هذه الخلايا العصبية وراثيا للاستجابة للضوء). وسرعان ما تعلمت الفئران أن بعض أنماط الضوء تمثل إشارات ذات معنى واستخدمتها لتوجيه السلوك. على الرغم من عدم وجود حواس طبيعية، استخدمت الحيوانات هذه الإشارات الاصطناعية لاتخاذ القرارات وإكمال التحديات السلوكية.

ويرى الباحثون إمكانات واسعة لهذا النهج. ويمكنه في النهاية دعم الأطراف الاصطناعية من خلال توفير ردود فعل حسية، وتقديم أنواع جديدة من المدخلات الاصطناعية لأجهزة السمع أو الرؤية المستقبلية، والمساعدة في إدارة الألم بدون أدوية، وتعزيز التعافي بعد الإصابة أو السكتة الدماغية، وحتى دعم الأطراف الآلية التي يتحكم فيها الدماغ.

تم نشر الدراسة في 8 ديسمبر علم الأعصاب الطبيعي.

وفي عرض توضيحي، قام المهندسون ببرمجة الجهاز لعرض أنماط الضوء في تسلسل لعبة تتريس. ترسل هذه الأنماط المعقدة من الضوء المعلومات مباشرة إلى الدماغ، متجاوزة المسارات الحسية الطبيعية في الجسم. وفي عرض توضيحي، قام المهندسون ببرمجة الجهاز لعرض أنماط الضوء في تسلسل لعبة تتريس. الائتمان: مينجزينج وو / مجموعة روجرز للأبحاث

طريقة جديدة لإنشاء ودراسة إشارات الدماغ

وقالت يفغينيا كوزوروفيتسكي، عالمة الأحياء العصبية في جامعة نورثويسترن، التي قادت العمل التجريبي: “إن أدمغتنا تحول النشاط الكهربائي باستمرار إلى تجارب، وهذه التكنولوجيا تمنحنا طريقة للاستفادة من هذه العملية مباشرة”. “تتيح لنا هذه المنصة إنشاء إشارات جديدة تمامًا ومعرفة كيف يتعلم الدماغ كيفية استخدامها. إنها تقربنا قليلاً من استعادة الحواس المفقودة بعد الإصابات أو المرض بينما تقدم نافذة على المبادئ الأساسية التي تسمح لنا بإدراك العالم.

وقال جون أ. روجرز، رائد الإلكترونيات الحيوية في جامعة نورث وسترن، والذي قاد عملية تطوير التكنولوجيا: “إن تطوير هذا الجهاز يتطلب إعادة التفكير في كيفية تقديم التحفيز النمطي للدماغ في شكل بسيط للغاية وقابل للزرع بالكامل”. “من خلال دمج مجموعة ناعمة ومتوافقة من مصابيح LED الدقيقة – كل منها صغير بحجم خصلة واحدة من شعر الإنسان – مع وحدة تحكم تعمل بالطاقة لاسلكيًا، أنشأنا نظامًا يمكن برمجته في الوقت الفعلي مع البقاء بالكامل تحت الجلد، دون أي تأثير قابل للقياس على السلوكيات الطبيعية للحيوانات. إنه يمثل خطوة مهمة إلى الأمام في بناء الأجهزة التي يمكنها التفاعل مع الدماغ دون الحاجة إلى أسلاك مرهقة أو أجهزة خارجية ضخمة. إنه ذو قيمة على المدى القريب لأبحاث علم الأعصاب الأساسية وعلى المدى الطويل لمعالجة التحديات الصحية لدى البشر.

يحمل كوزوروفيتسكي أستاذية إيرفينغ إم كلوتز في علم الأحياء العصبية في كلية واينبرغ للفنون والعلوم بجامعة نورث وسترن، وهو عضو في معهد كيمياء العمليات الحياتية. يشغل روجرز منصب أستاذ لويس سيمبسون وكيمبرلي كويري لعلوم وهندسة المواد والهندسة الطبية الحيوية وجراحة الأعصاب في كلية ماكورميك للهندسة وكلية فاينبرج للطب. كما أنه يدير معهد Querrey Simpson للإلكترونيات الحيوية. المؤلف الأول للدراسة هو باحث ما بعد الدكتوراه Mingzheng Wu.

البناء على ابتكارات علم البصريات الوراثي السابقة

يتوسع المشروع في العمل السابق الذي ابتكر فيه كوزوروفيتسكي وروجرز أول جهاز لاسلكي قابل للزرع والبرمجة وخالي من البطاريات قادر على التحكم في الخلايا العصبية بالضوء. تم النشر في علم الأعصاب الطبيعي وفي عام 2021، استخدم هذا النظام السابق مسبارًا صغيرًا واحدًا للتأثير على السلوك الاجتماعي لدى الفئران. تطلب علم البصريات الوراثي التقليدي كابلات ألياف ضوئية تحد من حركة الحيوان، لكن التصميم اللاسلكي سمح بسلوك أكثر طبيعية.

يعمل الإصدار الجديد على تعميق هذه القدرة من خلال السماح باتصال أكثر تعقيدًا ومرونة مع الدماغ. بدلاً من التحكم في منطقة صغيرة واحدة فقط، يحتوي الجهاز المحدث على مجموعة قابلة للبرمجة بالكامل تصل إلى 64 مصباح LED صغير. يمكن تعديل كل ضوء في الوقت الفعلي، مما يجعل من الممكن إرسال تسلسلات معقدة تشبه الأنماط الموزعة التي تظهر خلال التجارب الحسية الحقيقية. ولأن الإدراك الطبيعي يتضمن العديد من المناطق القشرية التي تعمل معًا، وليس مجموعات معزولة من الخلايا العصبية، فإن هذه المجموعة تنتج نشاطًا أكثر واقعية.

وقال وو: “في الورقة الأولى، استخدمنا مصباح LED صغيرًا واحدًا”. “نحن الآن نستخدم مجموعة من 64 مصباح LED صغيرًا للتحكم في نمط النشاط القشري. وعدد الأنماط التي يمكننا توليدها باستخدام مجموعات مختلفة من مصابيح LED – التردد والكثافة والتسلسل الزمني – يكاد يكون لا نهائيًا.”

تصميم أكثر نعومة مع توصيل الضوء على مستوى الجمجمة

وعلى الرغم من أنه أكثر تقدمًا، إلا أن الجهاز يظل صغيرًا وخفيف الوزن. إنه بحجم طابع البريد وأرق من بطاقة الائتمان. وعلى عكس المجسات السابقة التي امتدت إلى الدماغ، فإن هذا النموذج يستقر على سطح الجمجمة ويرسل الضوء عبر العظام.

وقال كوزوروفيتسكي: “الضوء الأحمر يخترق الأنسجة بشكل جيد”. “إنها تصل إلى عمق كافٍ لتنشيط الخلايا العصبية عبر الجمجمة.”

تعليم الحيوانات التعرف على رموز الدماغ الاصطناعي

وللاختبار، استخدم الباحثون فئرانًا مُصممة بحيث تحتوي على خلايا عصبية تستجيب للضوء في القشرة الدماغية. تم تدريب الحيوانات على ربط نمط تحفيز محدد بالمكافأة، والتي عادة ما توجد في منفذ معين في الغرفة السلوكية.

وفي تجارب متكررة، قدمت الغرسة نمطًا محددًا عبر أربع مناطق قشرية، تعمل كإشارة مشفرة. تعلمت الفئران التمييز بين هذا النمط المستهدف وبين العديد من التسلسلات المحتملة الأخرى. وعندما اكتشفوا المنفذ الصحيح، انتقلوا إلى المنفذ المناسب للمطالبة بالمكافأة.

وقال وو: “من خلال اختيار المنفذ الصحيح باستمرار، أظهر الحيوان أنه تلقى الرسالة”. “لا يمكنهم استخدام اللغة لإخبارنا بما يشعرون به، لذلك يتواصلون من خلال سلوكهم”.

العمل المستقبلي على أنظمة الإدراك الاصطناعي

ومع وجود أدلة على أن الدماغ يمكنه فهم تحفيز الضوء المنقوش كمعلومات ذات معنى، يخطط الفريق لاختبار تسلسلات أكثر تعقيدًا وتحديد عدد الأنماط المختلفة التي يمكن للدماغ أن يتعلم تفسيرها. قد تشتمل الإصدارات المستقبلية من الجهاز على المزيد من مصابيح LED، ومسافات أصغر بينها، وتغطية أكبر عبر القشرة، وأطوال موجية جديدة تصل إلى مناطق أعمق في الدماغ.

المرجع: “علم البصريات الوراثي اللاسلكي عبر الجمجمة يولد إدراكًا اصطناعيًا” بقلم Mingzheng Wu، Yiyuan Yang، Jinglan Zhang، Andrew I. Efimov، Xiuyuan Li، Kaiqing Zhang، Yue Wang، Kevin L. Bodkin، محمد Riahi، Jianyu Gu، Glingna Wang، Minsung Kim، Liangsong Zeng، Jiaqi Liu، Lauren H. Yoon، Haohui Zhang، Sara N. Freda، مينكيو لي، جيهيون كانغ، جوانا إل. سياتي، كايلا تينغ، ستيفن تشينج، شينتشنغ تشانغ، هي صن، وينمينغ تشانغ، يي تشانغ، أنتوني بانكس، كاميرون إتش جود، جوليا إم. كوكس، لوكاس بينتو، أبراهام فاسكيز جواردادو، يونغغانغ هوانغ، يفغينيا كوزوروفيتسكي وجون أ. روجرز، 8 ديسمبر 2025، علم الأعصاب الطبيعي.
دوى: 10.1038/s41593-025-02127-6

تم دعم هذه الدراسة، التي تحمل عنوان “علم البصريات الوراثي اللاسلكي عبر الجمجمة يولد إدراكًا اصطناعيًا”، من قبل معهد Querrey Simpson للإلكترونيات الحيوية، ومبادرة NINDS/BRAIN، والمعهد الوطني للصحة العقلية، وجائزة One Mind Nick LeDeit Rising Star Research، وجائزة Kavli Exploration، وجائزة Shaw Family Pioneer، ومؤسسة Simons، ومؤسسة Alfred P. Sloan، وكريستينا إنروث كوجيل وزمالة ديفيد كوجيل.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.