კორნელის უნივერსიტეტის მკვლევრებმა წარმოადგინეს რევოლუციური მიღწევა ნეირომეცნიერებაში: ნეირონული იმპლანტი, სახელწოდებით MOTE (მიკროსკალის ოპტოელექტრონული დაუოკებელი ელექტროდი), რომელიც იმდენად მცირე ზომისაა, რომ მარილის ერთ მარცვალზე ეტევა.
მოწყობილობა, რომლის სიგრძე დაახლოებით 300 მიკრონია, მსოფლიოში ყველაზე პატარა უკაბელო იმპლანტია, რომელსაც შეუძლია ცოცხალი ორგანიზმის ტვინის ელექტრული აქტივობის მონაცემების მაღალი ხარისხით გადაცემა ერთ წელზე მეტი ხნის განმავლობაში. MOTE ენერგიას იღებს ტვინის ქსოვილში უვნებლად გამავალი ლაზერული სხივებისგან და მონაცემთა გადასაცემად იყენებს ინფრაწითელი სინათლის პულსებს – ტექნიკას, რომელიც უზრუნველყოფს ენერგიის მინიმალური მოხმარებით მაღალი ხარისხის სიგნალების მიღებას.
MOTE-ის მთავარი უპირატესობა მისი მინიმალური ინვაზიურობაა. ტრადიციული იმპლანტებისგან განსხვავებით, მკვლევრებმა მისი ზომა შეამცირეს იმ დონემდე, რომ მინიმუმამდე დაეყვანათ ტვინის ქსოვილის დაზიანება და იმუნური რეაქცია. თაგვებზე ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა დაადასტურა, რომ იმპლანტი წარმატებით აფიქსირებს ნეირონების ელექტრულ სიგნალებს დიდი ხნის განმავლობაში, ჯანმრთელობისთვის ზიანის მიყენების გარეშე.
კვლევა, რომელიც გამოქვეყნდა ჟურნალ Nature Electronics-ში, საშუალებას აძლევს მეცნიერებს გამოიყენონ იმპლანტი MRI სკანირების დროსაც კი, რაც აქამდე ძალიან რთული იყო. ეს ტექნოლოგიური მიღწევა მნიშვნელოვანი წინგადადგმული ნაბიჯია ტვინის სრულყოფილი და უსაფრთხო კვლევისკენ.
Medscriptum-მა მოამზადა ექსკლუზიური ინტერვიუ კორნელის უნივერსიტეტის მიერ შემუშავებული ამ რევოლუციური უკაბელო ნეირონული იმპლანტის წამყვან მკვლევარებთან: პროფესორ ალიოშა მოლნარსა და პროფესორ სუნვუ ლისთან.
პროფესორი ალიოშა მოლნარი არის კორნელის უნივერსიტეტის ელექტრო და კომპიუტერული ინჟინერიის სკოლის პროფესორი. აღსანიშნავია, რომ პროფესორი მოლნარი ამ იმპლანტის შექმნას ჯერ კიდევ 2000-იანი წლების დასაწყისიდან ცდილობდა და პროექტში მთელი ამ ხნის განმავლობაში აქტიურად იყო ჩართული. მასთან ერთად პროექტს მართავს პროფესორი სუნვუ ლი, სინგაპურის Nanyang Technological University-ის ელექტრო და ელექტრონული ინჟინერიის სკოლის ასისტენტ პროფესორი.
პროფესორები დეტალურად გვესაუბრებიან მსოფლიოში ამ ყველაზე პატარა უკაბელო მოწყობილობაზე, რომელსაც შეუძლია ტვინის აქტივობის მონაცემების მაღალი ხარისხით გადაცემა ერთ წელზე მეტი ხნის განმავლობაში.
ინტერვიუ პროფესორ სუნვუ ლისთან
თქვენმა გუნდმა შექმნა ნეირონული იმპლანტი, რომელიც იმდენად მცირე ზომისაა, რომ თითქმის უხილავია, თუმცა მას შეუძლია ტვინის აქტივობის ჩაწერა ხანგრძლივი პერიოდის განმავლობაში. თქვენი აზრით, როგორ შეცვლის ნეირონული იმპლანტის მინიატურიზაციის ეს დონე ნეირომეცნიერების მომავალს?
ვფიქრობ, ჩვენი ნამუშევრის ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაწილი ისაა, რომ ვაჩვენეთ: შესაძლებელია შექმნა რაღაც ასეთი პატარა, მაგრამ ამავდროულად ფუნქციური და ტვინში ხანგრძლივად მოქმედი. ამის თეორიულ შესაძლებლობაზე დიდი ხანია საუბრობდნენ, მაგრამ აქამდე მიუღწეველი იყო.
მართალია, მხოლოდ ჩვენი იმპლანტით ნეირომეცნიერების მომავალი რადიკალურად არ შეიცვლება, მაგრამ ვფიქრობ, ეს ნამუშევარი გაზრდის ინტერესს და ნდობას მსგავსი ტექნოლოგიების მიმართ. ყოველივე ეს, თავის მხრივ, შესაძლებელს გახდის გაღრმავდეს კვლევები, რაც აქამდე შეუძლებელი იყო.
ტექნოლოგიური პროგრესი ექსტრემალური მინიატურიზაციის გზით ორ კრიტიკულ უპირატესობას გვაძლევს: ინვაზიურობის შემცირებასა და ეკონომიურობას. ეს ფაქტორები ქმნის ნიადაგს პაწაწინა სენსორების ფართომასშტაბიანი გამოყენებისთვის არა მხოლოდ ნეირომეცნიერებაში (ტვინის აქტივობის ჩაწერის მიზნით), არამედ ჯანმრთელობის მონიტორინგის სხვა სფეროებშიც. მოსალოდნელია, რომ ვიხილავთ კანზე ან კანქვეშ მოსათავსებელი სენსორების ე.წ. „ბუმს“, რათა ზუსტად გაიზომოს ისეთი ბიომარკერები, რომელთა დაფიქსირებაც დღევანდელი ჭკვიანი მოწყობილობებისთვის შეუძლებელია.
ეს პაწაწინა სენსორები შეიძლება დავამეგობროთ ჩვენს ჭკვიან საათებსა თუ სამოსელთან. ასეთი კავშირი გააერთიანებს იმ სისტემებს, რომლებიც ახლა ცალ-ცალკე მუშაობენ — მაგალითად, გლუკოზის უწყვეტი საზომი აპარატები (CGMs) შეერწყმება თქვენს სმარტ საათს, რაც ჯანმრთელობის მონაცემებს ერთიანად და გაცილებით სრულყოფილად წარმოაჩენს.
საბოლოო ჯამში, ვიმედოვნებთ, რომ ასეთი ტექნოლოგია დროთა განმავლობაში “დიდ ბიოლოგიურ მონაცემებს” (Biological Big Data) მოგვაწვდის, რაც ხელს შეუწყობს ხელოვნური ინტელექტის პოტენციალის სრულად გახსნას პერსონალიზებული ჯანდაცვის სერვისების შემუშავებისთვის. (ხელოვნური ინტელექტი ნაკლებად ეფექტურია იმ სფეროებში, სადაც საკმარისი რაოდენობის მონაცემი არ არსებობს).
ენერგიით უზრუნველყოფა და სიგნალების გადაცემა მიკრომასშტაბზე ყოველთვის იყო ერთ-ერთი უდიდესი საინჟინრო გამოწვევა. როგორ მოახერხეთ იმპლანტის ამუშავება ტრადიციული ბატარეებისა და სადენების გარეშე, თქვენს შემთხვევაში რომელი ტექნოლოგიური გარღვევა აღმოჩნდა გადამწყვეტი ამის მისაღწევად?
მართლაც, ბატარეებისა და სადენების გარეშე საიმედო ფუნქციონირების მიღწევა ჩვენთვის საკმაოდ დიდი გამოწვევა იყო.
ჩვენ მრავალი პრობლემა გამარტივებით გადავჭერით: მინიმუმამდე დავიყვანეთ სისტემის კომპონენტებს შორის მანძილი და სადენებით დაკავშირების არასანდო მეთოდის ნაცვლად, ელექტრონული კავშირები უშუალოდ, ერთ მთლიანობად ჩამოვაყალიბეთ მიკროსქემის ზედაპირზე. ეს ინტეგრირებული მიდგომა ჰგავს იმას, თუ როგორ გადავიდა ელექტრონიკა მოუხერხებელი, ცალკეული კომპონენტებიდან ინტეგრირებულ სქემებზე (ჩიპებზე), რამაც სისტემა ბევრად უფრო საიმედო და მასშტაბირებადი გახადა. ვფიქრობ, ამ ფილოსოფიის დაცვამ შეამსუბუქა მრავალი ის პრობლემა, რომლის წინაშეც თავდაპირველად ვიდექით.
და ბოლოს, ტექნოლოგიური გარღვევა, რომელმაც გადამწყვეტი როლი ითამაშა, არის ულტრა თხელი ატომური დაცვა (Atomic Layer Deposition – ALD). ეს არის უზუსტესი მეთოდი, რომლითაც მასალის დამცავი ფენა თავსდება ზედაპირზე ატომის დონეზე. იმპლანტები დაცული უნდა იყოს ბიოლოგიური სითხის, იგივე მარილიანი წყლისგან. სტანდარტული დაცვის მეთოდები მოითხოვს სქელ გარსს, მაგრამ ჩვენ შევძელით გამოგვეყენებინა ALD-ის უნაკლო დაცვა მხოლოდ 1 მიკრომეტრის სისქით, რაც კრიტიკულად მნიშვნელოვანია იმპლანტის მინიატურული ზომის შესანარჩუნებლად. ეს ტექნოლოგია ტრადიციულად გამოიყენება მაღალი ხარისხის ჩიპების წარმოებაში, მაგრამ ჩვენ მისი პოტენციალი ეფექტური ბიო-კაფსულაციისთვის გამოვიყენეთ.
იმ ფონზე, რომ ტვინის ნეირონული იმპლანტები სულ უფრო ზუსტი და ხელმისაწვდომი ხდება, ბუნებრივად ჩნდება ახალი ეთიკური კითხვები. თქვენი აზრით, როგორ უნდა მივუდგეთ პაციენტების მონაცემთა კონფიდენციალურობისა და სხვა მთელი რიგი უფლებების დაცვას ნეირონული ინტერფეისების ეპოქაში, რა მთავარი წესები უნდა დავადგინოთ, რომ ეს ტექნოლოგია პასუხისმგებლიანად და უსაფრთხოდ განვითარდეს?
ეს უაღრესად მნიშვნელოვანი კითხვაა. სამწუხაროდ, ვფიქრობ, რომ სახელმძღვანელო პრინციპები და პოლიტიკა, ზოგადად, ყოველთვის ჩამორჩება ტექნოლოგიურ მიღწევებს. თუმცა, ბოლო ორი ათწლეულის განმავლობაში, ჩვენ გავაუმჯობესეთ პროტოკოლები პირადი მონაცემების შესახებ, რათა გამკლავებოდნენ სოციალური მედიის/ინტერნეტის და სამედიცინო ჩანაწერების ციფრული ფორმით გენერირებულ უზარმაზარ რაოდენობას.
ვფიქრობ, ამ პრინციპებით უნდა დავიწყოთ, რადგან ძირითადი ფილოსოფია მსგავსი, თუ არა იდენტური უნდა იყოს. ჩემი აზრით, მონაცემების სწორად ანონიმიზაცია იქნება გასაღები, რომელიც უზრუნველყოფს კონფიდენციალურობას, ამავდროულად კი მოგვცემს საშუალებას, გამოვიყენოთ ეს მონაცემები კეთილი მიზნებისთვის, როგორიცაა უფრო პერსონალიზებული ჯანდაცვა და ბიოლოგიური ციფრული ტყუპების შექმნა.
ამასთან, ჩემი ჯგუფი სხვა ჯგუფებთან თანამშრომლობს, რათა შევქმნათ უფრო უსაფრთხო პროტოკოლები როგორც აპარატურის (hardware), ასევე პროგრამული უზრუნველყოფის (software) დონეზე, რათა უსაფრთხოებასა და კონფიდენციალურობასთან დაკავშირებული ეს გამოწვევები აღმოიფხვრას.
თქვენი აზრით, იმპლანტები რეალურ როლს ითამაშებენ ნევროლოგიური დაავადებების, მაგალითად, ეპილეფსიის ან დეპრესიის დიაგნოსტიკასა და მკურნალობაში? ხედავთ თუ არა გზას, რომ ეს ტექნოლოგია საბოლოოდ სტანდარტულ სამედიცინო ინსტრუმენტად იქცეს?
ვფიქრობ, მსგავსი ტექნოლოგიები დიდ ცვლილებას მოახდენენ კვლევებისა და ბიოლოგიური მონაცემების მონიტორინგის მიმართულებით, სადაც მინიმალურად ინვაზიური იმპლანტებია საჭირო.
ტარდება გარკვეული კვლევები, რომ ასეთი იმპლანტები სტიმულაციისთვის ან წამლის მიწოდებისთვის გამოიყენონ. ვფიქრობ, აღნიშნული გახსნის გზას არა მხოლოდ მონიტორინგის, არამედ მკურნალობის საშუალებების შემუშავებისკენაც.
იმედი მაქვს, რომ მიკროსკოპული იმპლანტები მოგვცემს საშუალებას, დაავადებების ყველაზე ადრეული ეტაპი აღმოვაჩინოთ, რათა მათი მოგვარება მცირე დოზის მედიკამენტებით ან ცხოვრების სტილის შეცვლითაც კი მოხდეს. ასეთი ადრეული დეტექცია ნამდვილად ყველაზე იდეალური სცენარია, რომელშიც არც ოპერაციის და არც მძიმე მედიკამენტების გამოყენება აღარ იქნება საჭირო.
წარმოიდგინეთ, რომ ათი წელი გავიდა. სად იქნება მაშინ ეს ტექნოლოგია? როგორი იქნება ნეირონული იმპლანტების შემდეგი თაობა და შეძლებს თუ არა ის, რომ სრულიად შეცვალოს ჩვენი ცოდნა ცნობიერების, მეხსიერების ან ზოგადად აზროვნების შესახებ?
ამჟამად იმპლანტს ვხვეწთ და მალე გადავცემთ მკვლევრებს გამოსაცდელად. მათი გამოხმაურება ძალიან მნიშვნელოვანია. ჩვენი მიზანია, მომავალშიც შევქმნათ რეკორდულად მცირე ზომის და ჭკვიანი იმპლანტები, თუმცა კონკრეტულად რისთვის გამოვიყენებთ, ეს დროთა განმავლობაში, საჭიროების მიხედვით, გამოჩნდება.
ვფიქრობ, ჩვენი მეთოდი – ტვინის აქტივობის ხანგრძლივი და მინიმალური ჩარევით მონიტორინგი – ყველას გაგვაოცებს აღმოჩენებით. ხელოვნური ინტელექტის ეპოქაში, როდესაც ტვინის ფენომენი ჯერ კიდევ ამოუხსნელი რჩება, ვიმედოვნებთ, რომ ჩვენი ტექნოლოგია საკუთარი თავის უკეთ შეცნობაში დაგვეხმარება.
წყარო: Medscriptum
