วิศวกรสร้างอุปกรณ์ฝังสมองไร้สายที่เล็กที่สุดในโลก ขนาด เล็กกว่าผลึกเกลือ

ถ้าเคยคิดว่าอุปกรณ์ฝังสมองต้องมีสาย มีขนาดใหญ่ หรือดูซับซ้อนเกินจะอยู่ในร่างกายได้นาน งานวิจัยชิ้นใหม่จากนักวิศวกรรมอาจทำให้ต้องคิดใหม่ทั้งหมด เมื่อทีมนักวิจัยจาก Cornell University สามารถพัฒนา อุปกรณ์ฝังสมองไร้สายที่เล็กกว่าผลึกเกลือ แต่กลับสามารถบันทึกและส่งข้อมูลสัญญาณไฟฟ้าจากสมองได้ต่อเนื่องยาวนานกว่า หนึ่งปีเต็ม

ความก้าวหน้าครั้งนี้ไม่ใช่แค่ “เล็กลง” แต่เป็นการเปิดประตูสู่แนวคิดใหม่ของการเฝ้าติดตามสมองระยะยาว อุปกรณ์ชีวภาพฝังในร่างกาย และเทคโนโลยีประสาท (Neurotechnology) ในอนาคต

งานวิจัยนี้คืออะไร และใครอยู่เบื้องหลัง

ผลงานดังกล่าวถูกรายงานในวารสารวิชาการระดับโลก Nature Electronics โดยเป็นความร่วมมือระหว่างนักวิจัยจากหลายสถาบัน นำโดย

• Alyosha Molnar ศาสตราจารย์จากคณะวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ มหาวิทยาลัย Cornell

• Sunwoo Lee ผู้ช่วยศาสตราจารย์จาก Nanyang Technological University ประเทศสิงคโปร์

ก่อนหน้านี้ Lee เคยทำงานกับ Molnar ในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอก และเริ่มพัฒนาแนวคิดนี้ตั้งแต่ช่วงนั้น

อุปกรณ์ฝังสมองจิ๋วระดับ “เม็ดเกลือ”

อุปกรณ์นี้มีชื่อว่า Microscale Optoelectronic Tetherless Electrode หรือเรียกสั้น ๆ ว่า MOTE

ขนาดของมันเล็กมาก

• ยาวประมาณ 300 ไมครอน

• กว้างประมาณ 70 ไมครอน

พูดให้เห็นภาพง่าย ๆ คือ วางบนผลึกเกลือเม็ดเดียวได้สบาย และยังเล็กพอจะฝังในสมองโดยแทบไม่รบกวนเนื้อเยื่อรอบข้าง

Molnar ระบุว่า

เท่าที่ทีมทราบ นี่คืออุปกรณ์ฝังสมองที่เล็กที่สุดในโลก ที่สามารถวัดสัญญาณไฟฟ้าในสมองและส่งข้อมูลออกมาแบบไร้สายได้จริง

ไม่มีสาย ไม่มีแบต ใช้แสงเป็นพลังงาน

หนึ่งในจุดเด่นที่สุดของ MOTE คือ ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ และไม่มีสายเชื่อมต่อใด ๆ

พลังงานมาจากแสง

อุปกรณ์นี้ใช้ แสงเลเซอร์สีแดงและอินฟราเรด ซึ่งสามารถผ่านเนื้อเยื่อสมองได้อย่างปลอดภัย

• แสงที่ยิงเข้าไปจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า

• ใช้เลี้ยงวงจรทั้งหมดภายในอุปกรณ์

ตัวรับพลังงานคือ ไดโอดสารกึ่งตัวนำ ที่ทำจากวัสดุอะลูมิเนียม-แกลเลียม-อาร์เซไนด์ (Aluminum Gallium Arsenide)

ส่งข้อมูลกลับด้วยแสง

เมื่อบันทึกสัญญาณไฟฟ้าจากสมองได้แล้ว MOTE จะ

• ปล่อยพัลส์แสงอินฟราเรดสั้น ๆ

• แสงนี้ถูกเข้ารหัสให้แทนข้อมูลกิจกรรมของสมอง

การสื่อสารใช้เทคนิคที่เรียกว่า Pulse Position Modulation
ซึ่งเป็นเทคนิคเดียวกับที่ใช้ใน การสื่อสารด้วยแสงของดาวเทียม
ข้อดีคือ

• ใช้พลังงานน้อยมาก

• แต่ยังส่งข้อมูลได้แม่นยำ

เล็กแต่ครบ: วงจรระดับไมโครชิป

แม้จะมีขนาดเล็กจิ๋ว แต่ภายใน MOTE ประกอบด้วย

• วงจรขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (Low Noise Amplifier)

• ตัวเข้ารหัสสัญญาณแบบออปติคอล

ทั้งหมดผลิตด้วยเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำเดียวกับที่ใช้ในไมโครชิปสมัยใหม่ ทำให้ทั้งประสิทธิภาพและความเสถียรอยู่ในระดับสูง

ทดลองจริงในสมองหนู เป็นเวลากว่า 1 ปี

ทีมนักวิจัยเริ่มทดสอบ MOTE จาก

ตำแหน่งที่ฝังคือ Barrel Cortex ซึ่งเป็นส่วนของสมองที่ประมวลผลข้อมูลจากหนวดของหนู

ผลลัพธ์ที่ได้ถือว่าน่าทึ่ง

• อุปกรณ์สามารถบันทึกสัญญาณไฟฟ้าจากเซลล์ประสาทได้

• ตรวจจับได้ทั้ง

  • สัญญาณกระตุ้นแบบเฉียบพลัน (Neuronal Spikes)

  • และรูปแบบกิจกรรมของไซแนปส์ในวงกว้าง

• ทำงานต่อเนื่องได้นานกว่า หนึ่งปี

• หนูทดลองยังคงมีสุขภาพดี เคลื่อนไหวได้ตามปกติ

ทำไมความเล็กถึงสำคัญกับสมอง

อุปกรณ์ฝังสมองแบบดั้งเดิมมักมีปัญหาใหญ่คือ

• เนื้อเยื่อสมองเคลื่อนไหวรอบอุปกรณ์

• เกิดการระคายเคือง

• กระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน

• ทำให้สัญญาณเสื่อมลงเมื่อใช้งานระยะยาว

Molnar อธิบายว่า เป้าหมายของทีมคือ

ทำให้อุปกรณ์เล็กพอจนสมองแทบไม่รู้สึกถึงการมีอยู่ของมัน

ผลลัพธ์คือ

• ลดการรบกวนเนื้อเยื่อ

• บันทึกสัญญาณได้เร็วกว่าเทคนิคการถ่ายภาพสมอง

• ไม่ต้องดัดแปลงพันธุกรรมของเซลล์ประสาทเหมือนวิธีถ่ายภาพแบบบางชนิด

ใช้กับ MRI และอวัยวะอื่นได้ในอนาคต

อีกจุดที่น่าสนใจคือ วัสดุของ MOTE อาจรองรับการใช้งานร่วมกับ MRI
ซึ่งเป็นสิ่งที่อุปกรณ์ฝังสมองทั่วไปทำได้ยากมาก

นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังมีศักยภาพต่อยอดไปยัง

• ไขสันหลัง

• อวัยวะอื่นในร่างกาย

• ระบบเซนเซอร์ชีวภาพระยะยาว

Molnar ยังมองไกลไปถึงการผสาน MOTE เข้ากับ

• แผ่นกะโหลกศีรษะเทียม

• หรือโครงสร้างออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในร่างกายมนุษย์ในอนาคต

ไอเดียที่ใช้เวลากว่า 20 ปี

ที่น่าสนใจคือ Molnar คิดแนวคิดของ MOTE ครั้งแรกตั้งแต่ปี 2001
แต่กว่าที่เทคโนโลยีและทีมงานจะพร้อมจริง ๆ ก็ต้องใช้เวลานาน

งานวิจัยเริ่มขยับอย่างจริงจังในช่วงประมาณ 10 ปีก่อน
เมื่อ Molnar เริ่มพูดคุยแนวคิดนี้กับเครือข่าย Cornell Neurotech
ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างคณะวิศวกรรมและคณะวิทยาศาสตร์ของ Cornell

ใครสนับสนุนงานวิจัยนี้

งานวิจัยได้รับการสนับสนุนบางส่วนจาก

• National Institutes of Health (NIH)

• การผลิตอุปกรณ์ทำใน Cornell NanoScale Facility
  ซึ่งได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation (NSF)

เรื่องนี้สำคัญกับใครบ้าง

วงการประสาทวิทยา

• ศึกษาการทำงานของสมองระยะยาวได้ละเอียดขึ้น

วงการแพทย์

• ปูทางสู่อุปกรณ์ฝังสมองเพื่อรักษาโรคทางระบบประสาท

เทคโนโลยีชีวภาพ

• เปิดยุคใหม่ของเซนเซอร์ฝังร่างกายขนาดจิ๋ว

อนาคตมนุษย์–เทคโนโลยี

• ใกล้เข้าไปอีกขั้นกับการผสานร่างกายและอิเล็กทรอนิกส์อย่างแนบเนียน

บทสรุป: เล็กจิ๋ว แต่ผลกระทบยิ่งใหญ่

การสร้างอุปกรณ์ฝังสมองที่เล็กกว่าผลึกเกลือ แต่ทำงานได้จริงเป็นเวลานานกว่า 1 ปี คือหลักฐานชัดเจนว่า ขีดจำกัดของไมโครอิเล็กทรอนิกส์กำลังถูกขยับอีกครั้ง

MOTE ไม่ได้เป็นแค่ของเล่นในห้องแล็บ แต่คือก้าวสำคัญสู่โลกที่

• การเฝ้าติดตามสมองทำได้ต่อเนื่อง

• รบกวนร่างกายน้อยที่สุด

• และอาจนำไปสู่การรักษาและความเข้าใจสมองมนุษย์ที่ลึกซึ้งกว่าที่เคย

จากไอเดียเมื่อกว่า 20 ปีก่อน วันนี้อุปกรณ์จิ๋วระดับเม็ดเกลือ กำลังเขย่าอนาคตของวิทยาศาสตร์สมองอย่างแท้จริง

ที่มา scitechdaily