- นักวิจัยจาก Rice University ทดลองกระตุ้นนิวรอนจากระยะไกลและเชื่อมต่อเส้นประสาทไซแอติกที่ถูกตัดขาดในหนู ด้วย วัสดุแมกนีโตอิเล็กทริก ที่เปลี่ยนสนามแม่เหล็กเป็นสนามไฟฟ้า
- วัสดุใหม่นี้แสดงการแปลงที่ เร็วกว่า 120 เท่า เมื่อเทียบกับวัสดุคล้ายกันเดิม โดยมุ่งแก้ปัญหารูปแบบและความถี่ของสัญญาณที่นิวรอนตอบสนองได้ยาก
- โครงสร้างอิงจากชั้นเพียโซอิเล็กทริก lead zirconium titanate และชั้นแมกนีโตสตริกทีฟ Metglas พร้อมซ้อนชั้น platinum, hafnium oxide และ zinc oxide เพื่อสร้าง สัญญาณไฟฟ้าแบบไม่เชิงเส้น
- หากต้องการลดขนาดอุปกรณ์ทั้งหมด จำเป็นต้องมีกระบวนการสร้างชั้นบางที่บางกว่า 200nm และในระยะยาวมีเป้าหมายให้เป็น รูปแบบที่ฉีดเข้าไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้
- แนวทางนี้อาจลดความรุกรานของการรักษาด้วยการกระตุ้นเส้นประสาท และอาจต่อยอดไปสู่การใช้งานนอกสาขาชีวอิเล็กทรอนิกส์ เช่น การตรวจจับ หน่วยความจำ และอิเล็กทรอนิกส์
กระตุ้นเส้นประสาทจากระยะไกลด้วยวัสดุแมกนีโตอิเล็กทริก
- วัสดุแมกนีโตอิเล็กทริก สามารถเปลี่ยนสนามแม่เหล็กเป็นสนามไฟฟ้าได้ จึงได้รับความสนใจในฐานะตัวเลือกสำหรับการรักษาที่กระตุ้นเนื้อเยื่อประสาทด้วยวิธีรุกรานน้อยที่สุด
- ข้อจำกัดของวัสดุเดิมคือ รูปแบบและความถี่ ของสัญญาณไฟฟ้าที่แปลงออกมาอยู่ในลักษณะที่นิวรอนตอบสนองได้ยาก
- ทีมวิจัยของ Jacob Robinson จาก Rice University ออกแบบวัสดุแมกนีโตอิเล็กทริกชนิดใหม่เพื่อแก้ปัญหานี้
- ตาม งานวิจัย ที่ตีพิมพ์ใน Nature Materials วัสดุนี้สามารถกระตุ้นนิวรอนจากระยะไกลได้อย่างแม่นยำ
- ถูกใช้ในโมเดลหนูเพื่อเชื่อมช่องว่างของ เส้นประสาทไซแอติก ที่ถูกตัดขาด
- ทำการแปลงแม่เหล็ก-ไฟฟ้าได้ เร็วกว่า 120 เท่า เมื่อเทียบกับวัสดุคล้ายกัน
เป้าหมายการกระตุ้นเส้นประสาทที่รุกรานน้อยกว่าอุปกรณ์ฝังในร่างกาย
- Robinson มองว่าคุณสมบัติและสมรรถนะของวัสดุนี้อาจส่งผลอย่างมากต่อ การรักษาด้วยการกระตุ้นเส้นประสาท
- แทนที่จะฝังอุปกรณ์กระตุ้นเส้นประสาทแบบเดิม อาจสามารถฉีดวัสดุปริมาณน้อยมากเข้าไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้
- Joshua Chen เริ่มต้นจากคำถามที่ว่าวัสดุที่ใส่เข้าไปในร่างกายเพียงเล็กน้อยมาก หรือมีขนาดเล็กราวกับ “ฝุ่น” ก็สามารถกระตุ้นสมองหรือระบบประสาทได้หรือไม่
- สนามแม่เหล็กทะลุผ่านเข้าสู่ร่างกายได้ง่าย และวัสดุแมกนีโตอิเล็กทริกสามารถเปลี่ยนสิ่งนี้เป็น สนามไฟฟ้า ที่ระบบประสาทใช้ในการส่งข้อมูลได้
โครงสร้างวัสดุและหลักการทำงาน
- นักวิจัยเริ่มจากวัสดุแมกนีโตอิเล็กทริกที่ประกบชั้น เพียโซอิเล็กทริก lead zirconium titanate ไว้ระหว่างชั้นแมกนีโตสตริกทีฟ Metglas สองชั้น
- Metglas เป็นโลหะแก้วอัลลอยที่สามารถถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและคลายแม่เหล็กได้อย่างรวดเร็ว
- เมื่อมีสนามแม่เหล็กมากระทำ องค์ประกอบแมกนีโตสตริกทีฟจะสั่นและเปลี่ยนรูปร่าง ส่วนวัสดุเพียโซอิเล็กทริกจะสร้างไฟฟ้าจากการเสียรูปนั้น
- เมื่อรวมวัสดุทั้งสองเข้าด้วยกัน จะสามารถเปลี่ยน สนามแม่เหล็ก ที่ใช้จากภายนอกร่างกายให้เป็นสนามไฟฟ้าได้
สัญญาณไม่เชิงเส้นที่นิวรอนตอบสนองได้
- วัสดุแมกนีโตอิเล็กทริกเดิมมีความสัมพันธ์ระหว่างสนามไฟฟ้ากับสนามแม่เหล็กแบบ เชิงเส้น
- สิ่งที่นักวิจัยต้องการคือ ความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้น ที่สร้างสัญญาณไฟฟ้าซึ่งนิวรอนสามารถตอบสนองได้จริง
- เพื่อสิ่งนี้ พวกเขาซ้อนชั้นวัสดุต่อไปนี้บนฟิล์มแมกนีโตอิเล็กทริกเดิม
- platinum
- hafnium oxide
- zinc oxide
- ความท้าทายคือการหาวิธีการผลิตที่เข้ากันได้ระหว่างวัสดุ
- Robinson ระบุว่ามีงานจำนวนมากในการสร้าง ชั้นบางที่บางกว่า 200nm ซึ่งให้คุณสมบัติพิเศษ
- Bhave มองว่ากระบวนการนี้สามารถลดขนาดอุปกรณ์ทั้งหมด และนำไปสู่รูปแบบที่ฉีดได้ในอนาคต
การทดลองเส้นประสาทส่วนปลายในหนูและความเป็นไปได้ของนิวโรพรอสเทติก
- ในการทดลองพิสูจน์แนวคิด นักวิจัยใช้วัสดุนี้กระตุ้น เส้นประสาทส่วนปลาย ของหนู
- แสดงให้เห็นว่าสามารถฟื้นฟูการทำงานในเส้นประสาทที่ถูกตัดขาดได้ และชี้ถึงความเป็นไปได้ในการใช้งานด้าน นิวโรพรอสเทติก
- Chen อธิบายว่าเมตาวัสดุนี้สามารถใช้เชื่อมช่องว่างของเส้นประสาทที่ขาด และฟื้นคืนความเร็วของสัญญาณไฟฟ้าที่รวดเร็วได้
- นักวิจัยมองว่ากรอบการออกแบบวัสดุนี้นำไปสู่การออกแบบเมตาวัสดุใหม่ที่ข้ามผ่านปัญหาหลายอย่างในเทคโนโลยีประสาท
- วิธีออกแบบเดียวกันยังสามารถนำไปใช้กับการใช้งานอื่น ๆ เช่น การตรวจจับ และ หน่วยความจำ ในอิเล็กทรอนิกส์ได้ด้วย
งานวิจัยและการสนับสนุน
- ชื่อบทความวิจัยคือ “Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”
- ตีพิมพ์ใน Nature Materials และมี DOI คือ 10.1038/s41563-023-01680-4
- ผู้เขียนงานวิจัยคือ Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos, Jacob Robinson
- งานวิจัยได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation และ National Institutes of Health
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
ในฐานะคนที่รู้จักผู้ป่วยบาดเจ็บไขสันหลัง การที่มีแต่ นวัตกรรมที่ต้องรออีก 20 ปีกว่าจะออกสู่ตลาด ซ้ำแล้วซ้ำเล่า มันรู้สึกโหดร้ายไม่น้อย
ผมไม่รู้ว่าจะแก้ยังไง แต่ในฐานะคนที่มีโรคที่รักษายาก แนวปฏิบัติแบบนี้ส่งผลเสียต่อชีวิตโดยตรงและสร้างความหวาดกลัวอย่างมาก ถึงอย่างนั้นเวลาพูดเรื่องนี้บน HN ก็มักโดน downvote โดนโจมตี และถูกมองว่าเพ้อเจ้อ จนแทบจะถอดใจแล้ว
เสียใจด้วยกับสิ่งที่คนรู้จักของคุณต้องเผชิญ
ขอให้ทุกคนรักษาระบบประสาทของตัวเองไว้ให้ดี
ยังมีโรคที่เปลี่ยนชีวิตคนอีกมากซึ่งอนาคตยิ่งมืดมนกว่านี้ เช่น แทบไม่มีทุนวิจัยหรือความสนใจเลย
แต่ก็จริงที่การรอคอยอันยาวนานนั้นเลวร้ายสำหรับคนที่กำลังเจ็บปวดอยู่ตอนนี้
ผมไม่ใช่คนสายการแพทย์ ใครช่วยอธิบายได้ไหมว่านี่มันยิ่งใหญ่แค่ไหนกันแน่?
อยากรู้ว่าอยู่ระดับ ซ่อมแซมไขสันหลัง หรือแค่ซ่อมเส้นประสาทที่ถูกตัดขาดเท่านั้น
อาจทำให้เกิด การรักษาด้วยการกระตุ้นเส้นประสาท ที่รุกรานน้อยลงได้ แต่ไม่รู้ว่าผลลัพธ์จะดีขึ้นหรือไม่
เพราะไม่ใช่ว่านิวรอนทั้งหมดจะงอกกลับมา หรือกลับไปอยู่ในตำแหน่งที่ควรอยู่เดิม
เพื่อนที่ขี่มอเตอร์ไซค์ไปชนราวสะพาน ขาดเส้นประสาทที่ไหล่ขวา ทำให้แขนไม่มีความรู้สึกและขยับไม่ได้
ถ้าซ่อมเรื่องแบบนั้นได้ สำหรับคนที่เจอเองมันคือเรื่องใหญ่มาก
เช่น ผู้ป่วยเบาหวานก็เข้าข่าย และเทคโนโลยีนี้อาจปรับปรุงชีวิตผู้คนได้มาก
ถ้าผมเข้าใจถูก นี่น่าจะทำให้เกิด การแปลงสัญญาณประสาทเป็นดิจิทัล และการแปลงดิจิทัลกลับเป็นสัญญาณประสาทได้
ถ้าอย่างนั้นก็หมายความว่าอีกไม่นานเราจะสามารถแทนที่ร่างกายด้วยร่างหุ่นยนต์ได้
ปัญหาที่เหลือคือวิธีรักษาสมองให้มีชีวิตอยู่ในถัง และทำให้อุปกรณ์พยุงชีพเล็กพอจะใส่ไว้ในร่างกายได้
แค่ทำให้เลือดไหลเวียน กำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ และจ่ายออกซิเจนกับกลูโคส ก็น่าจะไม่ยากขนาดนั้น และอาจทำให้สมองมีชีวิตอยู่ได้ไม่มีกำหนด
ก่อนจะพูดว่า “ทำให้สมองมีชีวิตอยู่ได้ไม่มีกำหนด” หรือ “ไม่ได้ยากขนาดนั้น” ควรดูเสียก่อนว่าทำไมประชากรอายุ 85 ปีขึ้นไปถึงหนึ่งในสามถึงครึ่งจึงประสบ โรคอัลไซเมอร์·โรคพาร์กินสัน·ภาวะสมองเสื่อม
นักพัฒนาซอฟต์แวร์มีแนวโน้มจะมองปัญหาแบบนี้เรียบง่ายและมองโลกในแง่ดีเกินไป และร่างกายมนุษย์ซับซ้อนกว่าที่คำอธิบายแบบนั้นสื่อไว้มาก
หวังว่าสิ่งนี้จะถูกใช้ช่วยคนที่มี ความเสียหายของเส้นประสาท จากการถูกตัดขาด หรือทำให้คนที่ไม่มีแขนขาได้ใช้แขนขาเทียมที่ดีขึ้น มีการเคลื่อนไหวและเซ็นเซอร์รับสัมผัส
โดยส่วนตัวผมก็สนใจการปรับปรุงปฏิสัมพันธ์ระหว่างมนุษย์กับคอมพิวเตอร์มาก
ถ้าเป็นไปได้ก็อยากให้ไม่ต้องผ่าตัด หรือเป็นวิธีที่แทบไม่รุกรานและรวดเร็วมาก
ยิ่งในสถานการณ์ที่วันเว้นวันมีโพสต์บน HN และมีอีกเป็นร้อย ๆ บน Reddit อ้างว่ารักษามะเร็งหรือ AIDS ได้แน่นอน ยิ่งเชื่อยากเข้าไปอีก
ร่างกายคนสามารถถูกขนส่งไปอีกซีกโลกด้วยความเร็ว 900 กม./ชม. นาน 25 ชั่วโมง ในราคาไม่ถึง 1,500 ดอลลาร์ แต่แม้จะใช้เงินมากกว่า 1,000 เท่าและเวลามากกว่า 1,000 เท่า เราก็ยังเชื่อม ระยะห่างระหว่างสมองกับเท้า ไม่ได้ เรื่องนี้ดูขัดแย้งอยู่เสมอ
ตอนนี้ต้องต่อทุกเส้นกลับเข้าด้วยกัน ให้แต่ละพอร์ตกลับไปเชื่อมกับพอร์ตเดิมที่มันเคยเชื่อมอยู่
แถมสายเหล่านั้นยังมี ขนาดระดับจุลทรรศน์ เปราะบางมาก และเราไม่รู้จริง ๆ ด้วยซ้ำว่าควรซ่อมอย่างไร
โดยพื้นฐานแล้วก็ได้แต่หวังให้มันงอกกลับมาเข้าที่เอง
กลับดูเป็นธรรมชาติเสียอีก
ความแม่นยำ เป็นเรื่องยากเสมอ
คนส่วนใหญ่รู้สึกว่ายากกว่าที่จะเล็งให้โดนจุดขนาด 1 มม. ที่อยู่ห่าง 1 ม. เมื่อเทียบกับการเตะลูกบอลไป 10 ม.
การย้ายกองทรายไป 100 ม. ง่ายกว่าการย้ายทรายหนึ่งเม็ดให้ตรง 1 ซม. โดยไม่กระทบเม็ดรอบ ๆ
เครื่องบินเป็นสิ่งที่มนุษย์ออกแบบจาก หลักการพื้นฐาน และเราเก่งในการจัดทำเอกสารสิ่งประดิษฐ์และทำความเข้าใจหลักการของมัน
แต่การสร้างสิ่งของที่เชื่อมต่อกับระบบชีวภาพเป็นคนละปัญหาโดยสิ้นเชิง
เหมือนการทำวิศวกรรมย้อนกลับเทคโนโลยีต่างดาว ต้องย้อนทำความเข้าใจสิ่งที่ซับซ้อนอย่างยิ่งซึ่งอารยธรรมของเราไม่ได้ออกแบบขึ้น
มันซับซ้อนมากเสียจนเครื่องมือที่ใช้ลองสำรวจอย่างมีนัยสำคัญจากความก้าวหน้าในสาขาอื่น ๆ ก็เพิ่งเกิดขึ้นเมื่อไม่นานมานี้เอง
เรารู้ คณิตศาสตร์ มากกว่าฟิสิกส์มาโดยตลอด อย่างน้อยก็นับตั้งแต่อียิปต์โบราณ รู้ฟิสิกส์มากกว่าเคมี และรู้เคมีมากกว่าร่างกายของเราเอง
เทคโนโลยีที่ใช้งานได้ก็สะท้อนความแตกต่างนั้น
ใน SF อนาคตอันใกล้ เป็นไปได้ไหมที่จะใช้เทคโนโลยีแบบนี้เพื่อปลูกถ่าย กระดูกสันหลังใหม่ ที่เพาะเลี้ยงในห้องแล็บ?
“เป้าหมายบางส่วนของ CTRL-Labs ค่อนข้างแปลกประหลาด เช่น การฝึกโมเดลให้ควบคุมนิ้วเพิ่มเติม”
https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
เราจะเสริมหรือเชื่อมต่อไขว้เส้นประสาท เพื่อให้ควบคุมสิ่งที่เดิมทีเราควบคุมไม่ได้ได้หรือไม่?
เช่น ถ้าสามารถ หลั่งฮอร์โมน ได้ตามต้องการ เพื่อปล่อยอะดรีนาลินหรือทำให้ตัวเองสงบลง จะเป็นอย่างไร?
เท่าที่เคยอ่านมา กระดูกสันหลังก็มี ความสามารถในการตอบสนองและคิด ขั้นพื้นฐานด้วย และอาจเกินระดับที่มนุษย์จะสร้างได้
นี่เป็นความหวังครั้งใหญ่สำหรับผู้ป่วยอัมพาต
แต่ก็หวังว่าจะไม่กลายเป็นเทคโนโลยีที่แพงเกินไปจนมีแค่ เศรษฐีไม่กี่คน เท่านั้นที่ใช้ได้
บทประกาศที่มหาวิทยาลัยโพสต์เอง เช่น rice.edu ประกาศความก้าวหน้าครั้งใหญ่ อะไรทำนองนั้น ตอนนี้รู้สึกแทบจะเหมือน คลิกเบต เพราะแรงจูงใจมันบิดเบี้ยวเกินไป
นักวิจัยก็ขยายผลลัพธ์เกินจริงเพื่อบทความวิชาการและทุนวิจัย ส่วนมหาวิทยาลัยก็ขยายผลลัพธ์นั้นซ้ำอีกเพื่อดึงดูดนักศึกษาและนักลงทุน
สงสัยว่าคนอื่นก็รู้สึกคล้ายกันไหม หรือว่าผมแค่กลายเป็นคนมองโลกในแง่ร้ายเกินไป
การรายงานข่าวเชิงวิชาการเป็นงานที่ยากและผลตอบแทนก็น้อย
ถ้ามองแบบไม่มองโลกในแง่ร้าย ครึ่งหนึ่งของงานนักวิจัยคือการเผยแพร่ผลลัพธ์ให้ทั้งนักวิจัยคนอื่นและสาธารณชนรับรู้
ผมคิดว่าประกาศจากมหาวิทยาลัยที่ ตื่นเต้น แม้จะเกินจริงไปบ้าง ยังดีกว่าข่าวปลุกความโกรธที่ครอบงำรายการทีวีและหน้าเว็บ “ข่าวกระแสหลัก”
นักวิจัยที่จริงจังก็กลับไปดูเอกสาร peer review ของจริงได้อยู่ดี
ในบทความก็มีลิงก์ และต้นฉบับอยู่ที่นี่: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
PDF อยู่ที่นี่: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
ในฐานะคนที่รู้จักสาขานี้แบบรอบนอก พอรู้เรื่องอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก·แมกนีโตสตริกชัน และการกระตุ้น·บันทึกสัญญาณประสาทอยู่บ้าง ผมไม่เคยเห็นวัสดุแมกนีโตสตริกทีฟที่สร้าง DC bias ได้
แถมการขับอุปกรณ์ในโหมดไม่เรโซแนนซ์เพื่อกระตุ้นเส้นประสาทก็รู้สึกว่าเป็นของใหม่
แม้จะมองจากระยะ 1,000 ฟุต แต่ก็น่าสนใจมาก และผมคิดว่าบทความนี้เป็นการรายงานที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งมีเนื้อหาคู่ควรกับความเกินจริงนั้น
สิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับสังคมวิทยาจำนวนมากอาจเป็นของปลอม และถ้ารากฐานใหญ่ของความคิดก้าวหน้าเรื่องเชื้อชาติ·เพศ·เพศสภาพวางอยู่บนนั้น ก็เป็นปัญหาใหญ่
อย่างน้อยก็ดูเหมือนไม่ได้ต่างจากสถานการณ์นี้มากนัก
Neural lace จะออกมาเมื่อไหร่กันนะ?
ผมเข้าใจว่าศักยภาพของมันมหาศาลและน่าดึงดูด แต่ผมไม่อยากเป็น ผู้ใช้กลุ่มแรก ของผลิตภัณฑ์แบบนั้น