کنترل عضلات با نور ممکن شد
محققان روش جدیدی را با استفاده از اپتوژنتیک (Optogenetics) توسعه داده‌اند که راه را برای ساخت پروتزهای پیشرفته و ربات‌های بیوهیبرید (زیست‌ترکیب) هموار می‌کند.
تصور 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، چنین کنترل دقیقی ممکن است رؤیایی غیرممکن به نظر برسد. اما اکنون، یک مطالعه پیشگامانه توسط محققان انجام شده است که این رؤیا را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند. راز آن استفاده از قدرت 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 عملکرد حرکتی استفاده 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 سرعت عضلات را خسته می‌کنند و فاقد کنترل دقیق مورد نیاز برای کارهای ماهرانه مانند گرفتن اجسام یا نواختن یک ساز هستند.
این ما را به اپتوژنتیک می‌رساند، میدانی پیشرفته که از نور برای کنترل سلول‌های اصلاح شده ژنتیکی استفاده می‌کند. با وارد 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 متحول کرده است، کاربردهای آن در کنترل عضله تا کنون نسبتا ناشناخته مانده بود.
محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) فرضیه‌ای را مطرح کردند که استفاده از نور برای تحریک عضلات از طریق اعصاب محیطی می‌تواند کنترل طبیعی‌تر و مقاوم‌تر در برابر خستگی را در مقایسه با تحریک الکتریکی ارائه دهد. برای آزمایش این ایده، آنها به سویه‌ای از موش‌ها روی آوردند که به طور ژنتیکی برای بیان پروتئین حساس به نوری در نورون‌های حرکتی‌شان مهندسی شده بودند.
به طور معمول، مغز ما ابتدا واحدهای حرکتی کوچکتر را برای کارهای ظریف و کم نیرو فعال می‌کند و سپس با افزایش نیاز نیرو، به تدریج واحدهای حرکتی بزرگتر و قدرتمندتر را به خدمت می‌گیرد. این استخدام منظم امکان ایجاد دامنه دینامیکی گسترده‌ای از تولید نیرو را فراهم می‌کند.
در مقابل، تحریک الکتریکی در ابتدا بزرگترین واحدهای حرکتی را فعال می‌کند که منجر به خستگی سریع و قدرت تفکیک ضعیف می‌شود. اپتوژنتیک، به دلیل تحریک مستقیم نورون‌های حرکتی، می‌تواند به ترتیب طبیعی این فعال‌سازی را انجام دهد. این نه تنها خستگی را کاهش می‌دهد، بلکه امکان کنترل دقیق‌تر و افزایشی نیرو را نیز فراهم می‌کند.
برای بدست آوردن این کنترل طبیعی تقویت شده، محققان یک مدل محاسباتی ایجاد کردند که می‌تواند روابط پیچیده و غیرخطی بین تحریک نور و تولید نیروی عضلانی را پیش‌بینی کند. با ترکیب عوامل بیوفیزیکی، مدل آنها راه را برای طراحی سیستم‌های کنترل اپتوژنتیک هموار می‌کند.
نظر شما