معرفی تز ساخت مدل داخلیِ تقویت‌کننده ثبت سیگنال تک‌نورونی مغز

تهیه و تنظیم: زهرا غلامی‌نژاد

در میز گردی با:
حسین سرفراز دانشجوی ارشد گرایش الکترونیک مدارهای مجتمع
استاد راهنما: دکتر آشتیانی، مدیر گروه الکترونیک دانشگاه تهران
استاد مشاور: دکتر زیبایی استاد پژوهشکده‌ی لیزر و پلاسمای دانشگاه شهید بهشتی

(توجه: این میزگرد در پاییز ۱۳۹۶ برگزار شده است)

مقدمه

این پروژه با همکاری پژوهشکده‌ی لیزر و پلاسمای دانشگاه بهشتی و دانشکده‌ی برق دانشگاه تهران (آزمایشگاه طراحی مدار مجتمع)، گروه الکترونیک و مرکز تحقیقات علوم اعصاب دانشگاه شهید بهشتی (آزمایشگاه الکتروفیزیولوژی) انجام شده است.

کلیات پروژه و اهداف و مقایسه با نمونه‌ی خارجی

برای این کار یک دستگاه نمونه‌ی خارجی وجود دارد که ابعاد بزرگی داشته و با برق شهری کار می‌کند و به حالت ایستا روی مغز موش قرار می‌گیرد. هدف ما این بود که تقویت‌کننده‌ای با ابعاد و وزن کم تولید کنیم تا بتواند به راحتی روی بدنه یا پشت موش قرار بگیرد. در مرحله‌ی بعد هدفمان داشتن یک پروتکل ارتباطی بود که بتواند دیتاهای گرفته شده را تقویت و به گیرنده ارسال کند تا دانشمندان علوم اعصاب بتوانند آن را مانیتور کنند. برای این کار ما ابتدا از مدارهایی شروع کردیم که عمل تقویت در آن‌ها انجام می‌شد، این مدارها ابعاد بزرگی داشتند و با چند عدد باتری کار می‌کردند. در مراحل بعدی توانستیم مداری طراحی کنیم که فقط با یک عدد باتری لیتیمی 3.7 ولت کار می‌کرد، ابعاد کوچکی داشت و باتری هم پشت این مدار قرار می‌گرفت. در مرحله‌ی بعدی ایده و نوآوری‌هایی روی خود تقویت‌کننده انجام شد و در مرحله‌ی آخر آن را کوچک‌سازی کردیم به طوری که توانستیم ابعاد آن را به 3.2*2.4 سانتی متر و وزن را هم به 3.2 گرم برسانیم. مرحله‌ی بعدی در رابطه با پروتکل ارتباطی خواهد بود که اطلاعات را به بخش گیرنده مانیتور کند. هدف کلی ما یک سیستم پرتابل و سبک برای ثبت سیگنال‌های تک نورون مغزی چند کاناله در حالتی است که حیوان زنده است و در مراحل بعدی ارسال بی‌سیم به بیرون و بعد از آن پردازش open look می‌باشد.

هدف ما این بود که تقویت کننده‌ای با ابعاد و وزن کم تولید کنیم تا بتواند به راحتی روی بدنه یا پشت موش قرار بگیرد. در مرحله‌ی بعد هدفمان داشتن یک پروتکل ارتباطی بود که بتواند دیتاهای گرفته‌شده را تقویت و به گیرنده ارسال کند تا دانشمندان علوم اعصاب بتوانند آن را مانیتور کنند.

در کل overview سیستم این گونه است که این کار قرار است جزئی از یک سیستم بزرگتر باشد. در واقع حیوان بخشی از یک لوپ است که سیگنال‌های مغزی‌اش گرفته شده و پردازش می‌شود. پس از آن پردازش، تحریک نوری یا الکتریکی دوباره روی مغز موش یا حیوان دیگر انجام می‌شود و رفتار و حرکات موش به این ترتیب کنترل می‌شوند. لازمه‌ی یک چنین کاری یک سیستم ثبت سیگنال پرتابل و خیلی کوچک بود که نمونه‌ی ایرانی نداشت. بعضاً نمونه‌های خارجی وجود داشت که گران‌قیمت بودند و سخت در دسترس قرار می‌گرفتند. ولی آنچه که ما به دنبالش بودیم یک سیستم نسبتاً ساده‌ای بود که با componentهای داخلی بتوان تولید کرد. قدم اول تقویت‌کننده است. سیگنال‌های تک نورون مغز موش خیلی ضعیف و در حد 10-100 میکروولت هستند و آنقدر ضعیف هستند که بین تداخلات و noiseهایی که در محیط وجود دارد، از 50 هرتز برق شهری گرفته تا سیگنال موبایل، سیگنال ایرکاندیشن و… گم می‌شود. که همه‌ی این‌ها می‌توانند سیگنال را به شدت corrupt کرده و از بین ببرند. بنابراین لازم است در همان stage اول بعد از آن پروبی که داخل مغز موش قرار داده می‌شود، این تقویت‌کنندگی انجام شود. که ما بیش از یک سال روی آن وقت گذاشتیم و فکر نمی‌کردیم اینقدر سخت باشد! مرحله‌ی بعدی کوچک کردن این تقویت‌کننده از ابعادی بود که در تصویر می‌بینید. همان طور که می‌بینید برد اولیه حدوداً به اندازه‌ی کف دست بود تا بردی که بشود روی کول موش به شکل کوله‌پشتی گذاشته شود و ان شاالله در مراحل بعدی بتوان روی سر موش نصب کرد و نیازی به کوله‌پشتی نباشد.

بعضاً نمونه‌های خارجی وجود داشت که گران‌قیمت بودند و سخت در دسترس قرار می‌گرفتند. ولی آنچه که ما به دنبالش بودیم یک سیستم نسبتاً ساده‌ای بود که با component های داخلی بتوان تولید کرد.

افق‌های آینده‌ی پروژه

پروژه می‌تواند ابعاد بزرگتری هم داشته باشد. از جمله انتقال توان به سیستم که فعلاً با باتری است و سیستم را سنگین می‌کند. هدف این است که بتوانیم این توان را به صورت بی‌سیم انتقال بدهیم و تحریک نوری که باز هم یک مبحث جالبی خواهد بود که به سیستم اضافه خواهد شد. قدم بعدی ما بعد از این تقویت‌کننده که ساخته شده و سیگنال‌های خوبی هم از سلول‌های عصبی موش دریافت کرده است این است که از طریق یک ماژول وایرلس بتوانیم سیگنال را یک الی دو متر بیرون از قفس موش بفرستیم، گیرنده‌ این سیگنال‌ها را از سمت کامپیوتر یکی یکی بگیرد، ذخیره کرده و بتوانیم پردازش real time انجام دهیم. این قسمت بخش سنگینی است که مانده و نمی‌توان گفت که پروژه تمام شده و در واقع تازه قدم اولش برداشته شده است. منتهی این قدم اول بخش مهم و بزرگی از کار است؛ چراکه تا زمانی که شما آن سیگنال بسیار ضعیف مغز موش را نتوانید تقویت کنید و رویش کاری انجام دهید، قسمت‌های بعدی قابل انجام نخواهند بود.

ارتباط این پروژه با اپتوژنتیک

هدف ما از پروژه‌ی اپتوژنتیک این است که بتوانیم با تحریکات نوری سیستم عصبی را تحریک و یا یک فعالیت عصبی را مهار کنیم تا بتوانیم آن رفتار عصبی را مانیتور کنیم که هم می‌توانیم از طریق رفتار حیوان این بازخورد را بررسی کنیم و هم با تکنیک الکتروفیزیولوژی می‌توانیم این کار را انجام دهیم. روش‌های متفاوتی برای تکنیک‌های الکتروفیزیولوژی استفاده می‌شود که از جمله آن‌ها ثبت سیگنال‌های تک‌واحدی از سلولهای عصبی است که در حال حاضر در ایران به صورت بیهوش این ثبت از حیوان گرفته می‌شود. یک علت این است که در ثبت تک‌واحدی ما نیاز داریم که الکترود را در مجاورت یک نورون هدف قرار دهیم که این با دستگاه‌های استریوتاکسی امکان‌پذیر است که حیوان باید در آن ثابت باشد و هیچ گونه حرکتی نکند. اما با deviceای که گروه ما develop کرده است این امکان را به وجود آورده که از حیوان در حال حرکت آزادانه بتوان ثبت‌های عصبی انجام داد. یکی از ویژگی‌هایی که این device باید داشته باشد، سایز بسیار کوچک و وزن کم است که حیوان بتواند آن را حمل کند و ما بدون استفاده از کابل بتوانیم به صورت مدار بسته یک سیستم عصبی را تحت کنترل قرار دهیم. برای مثال بتوانیم در بیماری‌ای مثل صرع، پارکینسون و یا اعتیاد به صورت مدار بسته یک شبکه‌ی نورونی را تحت کنترل درآوریم و به عبارتی بتوانیم این بیماری‌ها را مهار و فعالیت عصبی را به حالت نرمال برگردانیم.
فرآیند اینگونه است که به صورت طبیعی با deviceهایی که ساخته شده ثبت‌های الکتروفیزیولوژی از سیستم‌های عصبی گرفته می‌شود. تحت پردازش‌های سیگنالی انجام‌شده حالت نرمال سیگنال با حالت‌هایی که نشان‌دهنده‌ی آن بیماری و شروع علائم فعالیت ناصحیح سیستم‌های عصبی است، مقایسه می‌شوند. با مقایسه‌ی این سیستم‌ها می‌توان آن را تشخیص داد. سپس باعث می‌شود که به سیستم‌های نوری مثل لیزر که با آن قابلیت تحریک نوری در آن بخش از مغز را داریم(از طریق تکیک اپتووژنتیک)، فرمان صادر شود و بتوان به صورت مدار بسته آن شبکه‌ی عصبی را تحت کنترل درآورد. امیدواریم در گام‌های بعدی و به زودی نتایج بسیار خوبی در کنترل‌های مدار بسته با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک برای درمان یک سری از بیماری‌های عصبی در حیواناتی که دارای حرکت آزاد هستند، به دست بیاوریم.
قبلاً روی حیوانات بیهوش ثبت‌های الکتروفیزیولوژیکی انجام می‌شد، ولی ثبت‌های تک‌واحدی بسیار دشوار است. ما می‌توانیم ثبت LFP یا EEG و… انجام دهیم؛ همه‌ی این‌ها با کابل انجام می‌شود. ولی اگر بخواهیم به صورت single unit انجام دهیم، یعنی از یک نورون مخصوص بخواهیم سیگنال بگیریم، این امکان‌پذیر نیست. علاوه بر این همه‌ی این‌ها با کابل هستند و این خود یک محدودیت برای حیوان ایجاد می‌کند و اجازه‌ی حرکت آزادانه‌ی زیادی به آن نمی‌دهد.

میکروجابجاگرها

مقوله‌ی دیگری که وجود دارد این است که الکترود چگونه در سیستم عصبی قرار بگیرد؟ در ثبت‌هایی که از یک جمعیت نورونی گرفته می‌شود قرار گیری الکترودها خیلی مهم نیست، ولی در ثبت تک‌واحدی تعیین موقعیت دقیق الکترود در مجاورت نورون مد نظر خیلی مهم است. برای این کار نیاز به یک میکروجابجاگری داریم که بتواند موقعیت الکترود را در داخل بافت تعیین کند که این با دستگاه‌های استریوتاکسی قبلاً انجام می‌شده، اما در طرح‌های جدید ما میکروجابجاگرهایی را طراحی کرده‌ایم که با این سیستم ثبت سیگنال integrate شده و یک سیستم جامعی می‌شود که فارغ از استفاده از دستگاه‌های استریوتاکسی و دستگاه‌هایی که با کابل بودند، ثبت سیگنال را انجام دهیم. این تکنولوژی در ایران وجود نداشت و برای اولین بار develop شده است. البته دستگاه bench top وجود دارد که بزرگ است و روی میز آزمایشگاه قرار می‌گیرد. ما ادعا نداریم که این پروژه تکمیل شده و حداقل دو سال دیگر کار دارد که تبدیل به دستگاهی با قابلیت استفاده برای همه بشود.

عرضه‌ی فناوری به سایر کشورها:

هدفی که گروه در نظر دارد این است که درست است که ما با یک عدد پورت ورودی داریم سیگنال می‌گیریم، ولی انشالله در گام‌های بعدی در نظر داریم این تعداد را به ۱۶ الی ۳۲ عدد پورت برسانیم و ثبت وایرلس داشته باشیم و اطلاعاتش نیز پردازش شود. این امر ملزم به حمایت‌های ستاد توسعه‌ی علوم و فناوری‌های شناختی است؛ همان‌طور که قبلاً حمایت کرده‌اند از این به بعد نیز حمایت‌های لازم را داشته باشند تا با تلاش‌هایی که دانشجویان این رشته دارند و با تعاملی که بین گروه‌های مختلف ایجاد شده، این تکنولوژی که در ایران فناوری می‌شود را بتوانیم در سطح بین‌المللی هم عرضه کنیم. هر چند که در حال حاضر هم همکاری‌های بین‌المللی در این زمینه با کشورهایی مثل برزیل و پرتغال وجود داشته که انتقال فناوری از ایران به این کشورها و دریافت بازخورد آن‌ها باعث شده به صورت تعامل گروهی این پروژه را پیش ببریم.

حمایت‌های ستاد لازم است تا بتوانیم این تکنولوژی را که در ایران فناوری می‌شود، در سطح بین‌المللی هم عرضه کنیم. هر چند که در حال حاضر هم همکاری‌های بین‌المللی در این زمینه با کشورهایی مثل برزیل و پرتغال وجود داشته که انتقال فناوری از ایران به این کشورها و دریافت بازخورد آن‌ها باعث شده به صورت تعامل گروهی این پروژه را پیش ببریم.

مراحل پیشرفت کار:

در مدار اول ما فقط می‌خواستیم تست کنیم که این کار انجام می‌شود یا خیر و سعی کردیم از آپ‌های سینگل استفاده کنیم. در مراحل بعد توانستیم از آپ‌هایی استفاده کنیم که تعداد بیشتری داخلش باشد. در مرحله‌ی بعدی به این فکر رسیدیم که این قطعات را که به صورت دیف و بزرگ هستند، SND کنیم که هم ابعاد و هم وزن کمتری داشته باشد. مرحله‌ی اول و دوم با دو تا باتری کار می‌کرد. بعد از آپ‌ها از تقویت‌کننده‌هایی استفاده کردیم که با یک باتری کار می‌کنند. سپس مرحله‌ی سوم انجام شد و بعد در مرحله‌ی چهارم توانستیم آن را کوچک‌سازی کنیم و در نهایت در این مرحله از پکیج‌های کوچک‌تر استفاده شد. کاراکترها و اتصالات باید کوجکتر شوند که البته در برنامه‌ی ما نیز هست که به ابعاد کمتر از این نیز دست پیدا کنیم.
ما همچنان روی موش بی‌هوش تست انجام می‌دهیم، چون سیستم فعلاً کار دارد تا به حیوان زنده و متحرک برسد. خوشبختانه آخرین ورژن جواب خوبی گرفته است و مشابه دستگاه bench top بزرگ توانستیم از این amplifierها جواب بگیریم.

منبع: مجله مغز و شناخت، شماره 3، پاییز 1396

0
سیناپس
توسعه دهنده وب

بدون محدودیت به هزاران محتوای طبقه بندی شده، مقاله، کتاب‌، دوره‌ آموزشی، رویداد، اخبار، نوآوری و دستاوردهای حوزه علوم شناختی دسترسی پیدا کنید و به بزرگترین شبکه علوم شناختی کشور بپیوندید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سبد خرید
0