تصميم تقنية جديدة مفتوحة المصدر للتواصل مع الخلايا العصبية الحية
تتواصل الخلايا العصبية بشكل معقد وتستجيب للمحفزات ضمن شبكة واسعة، وتقوم بتنسيق الوظائف الأساسية بدءًا من العمليات الجسدية الأساسية وحتى الأفكار المعقدة.
غالبًا ما تواجه أساليب علم الأعصاب التقليدية، التي تعتمد على الفيزيولوجيا الكهربية في الجسم الحي (داخل الكائن الحي)، صعوبة في معالجة تعقيد الدماغ ككل، وفقا لما نشره موقع ميديكال إكسبريس.
يتضمن النهج البديل استخراج الخلايا من الكائن الحي وإجراء دراسات على طبق زرع بدلًا من ذلك (في المختبر)، مما يوفر للباحثين تحكمًا ودقة معززتين في قياس العمليات العصبية.
مشروع MiV
في دراسة جديدة ظهرت في العلوم المتقدمة، كشف الباحثون عن نظام مختبري مفتوح المصدر وفعال من حيث التكلفة للتواصل مع الخلايا العصبية، مما يوفر وسيلة أكثر سهولة للباحثين المهتمين بالتفاعلات العصبية.
تعد الدراسة جزءًا من مشروع أكبر يسمى العقل في المختبر، والذي يستكشف كيفية تفاعل الخلايا العصبية مع بعضها البعض، ليس فقط لفهم أفضل للوظائف الكامنة وراء الأنظمة المعقدة مثل الدماغ، ولكن أيضًا بهدف استخدام الشبكات العصبية المختبرية في نهاية المطاف للحساب.
ولتحقيق هذا الهدف، يضم مشروع MiV مجموعة متعددة التخصصات من الباحثين، بما في ذلك علماء الكمبيوتر، والهندسة، وعلم الأحياء العصبي، وعلم وظائف الأعضاء.
وأوضح زهي (أندرو) دو، وهو طالب دراسات عليا في مختبر غازولا والذي ساعد في قيادة المشروع: «إن الهدف من مشروع MiV هو استخدام الخلايا العصبية في الحساب، هذا من شأنه أن يسمح بوجود نظام ديناميكي ومتطور باستمرار، على عكس أنظمة الحوسبة التقليدية، وهو في الواقع أكثر كفاءة في استخدام الطاقة أيضًا».
تصف دراسة MiV الجديدة، بقيادة ماتيا جازولا (M-CELS)، الأستاذ المشارك في العلوم والهندسة الميكانيكية، وشياوتيان تشانغ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر جازولا، ودو، نهجًا مبتكرًا لقياس نشاط الخلايا العصبية باستخدام مجموعة الأقطاب الكهربائية الدقيقة. تكنولوجيا (MEA)، في حين أن هناك أنظمة تجارية تستخدم تكنولوجيا مماثلة، إلا أنها غالبا ما تكون باهظة الثمن ويتم تسويقها نحو أساليب تجريبية محددة.
قال تشانغ: «المشكلة في التكنولوجيا الحالية للتفاعل مع الخلايا العصبية هي أنها أنظمة تجارية بشكل أساسي، وهي أكثر توحيدًا لظروف اختبار محددة، بشكل عام في الكيمياء الحيوية أو علم الأعصاب التقليدي».
وأضاف: «بما أننا مهتمون بهندسة نماذج الحوسبة من الخلايا الحية، كان دافعنا لذلك هو الابتعاد عن الأنظمة التجارية الأكثر توحيدًا وبناء شيء بأنفسنا سيكون لدينا سيطرة كاملة عليه».
كيف يعمل جهاز MiV الجديد؟
في جهاز MiV الجديد، يتم وضع الخلايا على لوحة تحتوي على الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف، مما يسمح للتكنولوجيا بالتفاعل مع الركائز العصبية. تكتشف الأقطاب الكهربائية الجهد الكهربي الصادر عن الخلايا العصبية، ويتم تضخيم هذا الجهد وإرساله إلى الكمبيوتر، الذي يقوم بعد ذلك بمعالجة البيانات.
بالمقارنة مع النظام التجاري القياسي المكون من 60 قطبًا كهربائيًا، فإن نظام MiV يضم أكثر من 500 قطب كهربائي، مما يسمح بجمع المزيد من البيانات في وقت واحد.
يشتمل النظام أيضًا على ميزات محسنة و/أو جديدة مقارنة بالأنظمة التجارية، مثل إمكانية النقل، والتواصل ثنائي الاتجاه مع الخلايا العصبية، والقدرة على تصوير الخلايا العصبية أثناء التسجيلات، والقدرة على اختبار أنواع متعددة من المدخلات (الكهربائية والبصرية) والمتعددة. تجمعات الخلايا في وقت واحد.
بالرغم من هذه التحسينات، فإن تكلفة بناء نظام MiV أرخص بعشر مرات من تكلفة النظام التجاري، كما أنه قابل للتخصيص بالكامل. من أجل تعزيز نشر النظام، جعل الباحثون نماذج الأجهزة والبرامج الخاصة بنظام MiV مفتوحة المصدر ومتاحة مجانًا عبر الإنترنت.
وقال تشانغ: «إن جعل برامجنا وأجهزتنا مفتوحة المصدر كان أمرًا مهمًا للغاية بالنسبة لنا، أردنا خفض التكلفة لجعل هذه التكنولوجيا متاحة للآخرين، وجعلها أكثر مرونة وتنوعًا حتى يتمكن الباحثون من تخصيص إعداداتهم التجريبية لكل ما يحتاجون إليه. نظامنا ليس لمختبر واحد فقط، أو مجموعة واحدة من الأشخاص المهتمين بشيء واحد محدد، فهو للجميع».
قال دو: «لقد صممنا نظامنا ليكون سهل الصنع للغاية ويتكون من أجزاء غير مكلفة، مما سيسمح لكثير من المختبرات التي لا تستطيع تحمل تكاليف النظام التجاري أن يكون لها نظامها الخاص، على الرغم من أن التصميم الأصلي مخصص للدراسات الحسابية، فقد جعلنا الهيكل سهل إعادة التصميم والتوسع فيه، لذلك نحن على يقين من أن هذا سوف يرضي الباحثين بغض النظر عن نوع الدراسات التي يريدون القيام بها».
ويقول الباحثون إن المختبرات الأخرى أبدت بالفعل اهتمامًا بالتكنولوجيا الجديدة لإجراء تجاربها الخاصة. يخطط فريق MiV لمواصلة تحسين التصميم لجعل الأجهزة أكثر أتمتة ويمكن الوصول إليها، بالإضافة إلى استكشاف طرق لقياس أداء التكنولوجيا وتوسيعه.
