کنترل عضلات با نور ممکن شد

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.

محققان با استفاده از یک پلتفرم نوآورانه تحریک مبتنی بر نور که می‌تواند اعصاب خاصی را هدف قرار دهد، نظریه خود را مورد آزمایش قرار دادند. آنها دریافتند که با تعدیل مدت و فرکانس سیگنال‌های نوری می‌توانند به کنترل درجه‌بندی شده نیروی عضلانی با دقت قابل توجهی دست یابند. تحریک اپتوژنتیک نه تنها نیروهای بالاتری را نسبت به تحریک الکتریکی ایجاد کرد، بلکه باعث افزایش خطی‌تر و گام به گام نیرو در مقایسه با روش‌های معمولی‌ شد.
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.

کاربردهای بالقوه این فناوری بسیار زیاد است. افراد مبتلا به فلج یا مشکلات عصبی می‌توانند توانایی انجام کارهایی را که نیاز به مهارت‌های حرکتی ظریف دارند، دوباره به دست آورند. اندام‌های مصنوعی می‌توانند با حرکات واقعی‌تر و مقاوم در برابر خستگی ادغام شوند. ماهیچه‌های تحت کنترل اپتوژنتیک حتی می‌توانند نسل جدیدی از ربات‌های چابک و بیوهیبرید را ایجاد کنند.