کنترل عضلات با نور ممکن شد_بام وطن

فکر کنید که بتوانید عضلات خود را با دقت یک ساز تنظیم شده کنترل کنید، هر حرکت با زمان‌بندی عالی و فقط مقدار نیروی مناسب انجام می‌شود. برای افراد مبتلا به بیماری‌های عصبی یا فلج، این چنین کنترل دقیقی امکان پذیر رؤیایی غیرممکن به نظر برسد. اما اکنون، یک مطالعه پیشگامانه توسط محققان انجام شده است که این رؤیا را به حقیقت نزدیک‌تر می‌کند. راز آن منفعت گیری از قوت نور برای تحریک فیبرهای عضلانی دستکاری شده ژنتیکی در روشی به نام اپتوژنتیک است.

به نقل از اس‌اف، به طور سنتی، دانشمندان از تحریک الکتریکی برای فعال کردن مصنوعی ماهیچه‌ها در افراد دارای اختلال در کارکرد حرکتی منفعت گیری می‌کردند. در حالی که تحریک الکتریکی عملکردی (FES) پیشرفت‌های قابل توجهی را در اندام‌های مصنوعی و توانبخشی ممکن کرده است، با برخی از اشکالات عمده همراه است. سیگنال‌های الکتریکی به شدت عضلات را خسته می‌کنند و فاقد کنترل دقیق مورد نیاز برای کارهای ماهرانه همانند گرفتن اجسام یا نواختن یک ساز می باشند.

این ما را به اپتوژنتیک می‌رساند، میدانی پیشرفته که از نور برای کنترل سلول‌های اصلاح شده ژنتیکی منفعت گیری می‌کند. با داخل کردن پروتئین‌های حساس به نور به نام اپسین‌ها به نورون‌های خاص، دانشمندان می‌توانند به طور انتخابی آن سلول‌ها را به سادگی با تابش نور به آنها فعال یا مهار کنند. در حالی که اپتوژنتیک تحقیقات علوم اعصاب را منقلب کرده است، کاربردهای آن در کنترل عضله تا کنون نسبتا ناشناخته مانده می بود.

محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) فرضیه‌ای را نقل کردند که منفعت گیری از نور برای تحریک عضلات از طریق اعصاب محیطی می‌تواند کنترل طبیعی‌تر و مقاوم‌تر در برابر خستگی را در قیاس با تحریک الکتریکی اراعه دهد. برای آزمایش این ایده، آنها به سویه‌ای از موش‌ها روی آوردند که به طور ژنتیکی برای گفتن پروتئین حساس به نوری در نورون‌های حرکتی‌شان مهندسی شده بودند.

محققان با منفعت گیری از یک پلتفرم نوآورانه تحریک مبتنی بر نور که می‌تواند اعصاب خاصی را مقصد قرار دهد، نظریه خود را مورد آزمایش قرار دادند. آنها دریافتند که با تعدیل زمان و فرکانس سیگنال‌های نوری می‌توانند به کنترل درجه‌بندی شده نیروی عضلانی با دقت قابل توجهی دست یابند. تحریک اپتوژنتیک نه تنها نیروهای بالاتری را نسبت به تحریک الکتریکی تشکیل کرد، بلکه علتافزایش خطی‌تر و قدم به قدم نیرو در قیاس با راه حلهای معمولی‌ شد.

به طور معمول، مغز ما ابتدا واحدهای حرکتی کوچکتر را برای کارهای ظریف و کم نیرو فعال می‌کند و سپس با افزایش نیاز نیرو، کم کم واحدهای حرکتی بزرگتر و پرقدرت را به خدمت می‌گیرد. این استخدام منظم امکان تشکیل دامنه دینامیکی گسترده‌ای از تشکیل نیرو را فراهم می‌کند.

در روبه رو، تحریک الکتریکی در ابتدا بزرگترین واحدهای حرکتی را فعال می‌کند که تبدیل خستگی سریع و قوت تفکیک ضعیف می‌شود. اپتوژنتیک، به علت تحریک مستقیم نورون‌های حرکتی، می‌تواند به ترتیب طبیعی این فعال‌سازی را انجام دهد. این نه تنها خستگی را افت می‌دهد، بلکه امکان کنترل دقیق‌تر و افزایشی نیرو را نیز فراهم می‌کند.

برای بدست آوردن این کنترل طبیعی تحکیم شده، محققان یک مدل محاسباتی تشکیل کردند که می‌تواند روابط پیچیده و غیرخطی بین تحریک نور و تشکیل نیروی عضلانی را پیش‌بینی کند. با ترکیب عوامل بیوفیزیکی، مدل آنها راه را برای طراحی سیستم‌های کنترل اپتوژنتیک هموار می‌کند.

کاربردهای بالقوه این فناوری زیاد زیاد است. افراد مبتلا به فلج یا مشکلات عصبی می‌توانند توانایی انجام کارهایی را که نیاز به توانایی‌های حرکتی ظریف دارند، مجدد به دست آورند. اندام‌های مصنوعی می‌توانند با حرکات واقعی‌تر و مقاوم در برابر خستگی ادغام شوند. ماهیچه‌های تحت کنترل اپتوژنتیک حتی می‌توانند نسل جدیدی از ربات‌های چابک و بیوهیبرید را تشکیل کنند.