مستشعر مغناطيسي متقدم قائم على TMR لتسجيل المجال المغناطيسي للإشارات المحلية في الأنسجة الحية

الاستماع إلى الدماغ دون لمس شرارته

أدمغتنا تضج بعواصف كهربائية صغيرة في كل ثانية، وفهم هذه العواصف يمكن أن يمكّن واجهات الحاسوب-الدماغ المستقبلية التي تساعد الأشخاص على الحركة أو التواصل أو حتى اللعب عبر التفكير فقط. يقدم هذا البحث طريقة جديدة للاستماع إلى نشاط الدماغ، ليس عن طريق قياس الكهرباء مباشرة، بل عبر استشعار الحقول المغناطيسية الخافتة التي تولدها الخلايا الدماغية، باستخدام جهاز شعري رفيع يُدعى ماغنترود.

نوع جديد من المسبار الدماغي الصغير

بنَى الباحثون مسبارًا مصغرًا قائمًا على مقاومة مغناطيسية نفقية، تقنية طُورت أصلاً لأجهزة استشعار مغناطيسية متقدمة. القِمَّة النشطة لجهازهم يبلغ عرضها عشرات المايكرومترات فقط، صغيرة بما يكفي لأن تُزرع في الدماغ مع إحداث ضرر محدود. بدلاً من تسجيل الجهد مثل القطب التقليدي، يتفاعل هذا الماغنترود مع الحقول المغناطيسية الصغيرة التي تُنتج عندما تنشط مجموعات من الخلايا العصبية في منطقة قريبة معًا. تُعكس هذه الإشارات المجمعة، المسماة جهود المجال المحلية، كيفية تنسيق شبكات الخلايا العصبية أثناء الحركة والذاكرة والمرض. شكَّل الفريق عناصر المستشعر وربطها بعناية للحفاظ على حساسية المسبار مع تقليل القصور المغناطيسي غير المرغوب فيه، حتى يتمكن من متابعة التغيرات البطيئة والسريعة في نشاط الدماغ.

رصد أضعف إشارات الدماغ

نظرًا لأن الحقول المغناطيسية الناتجة عن الخلايا العصبية ضعيفة للغاية، يجب أن يكون المستشعر هادئًا بما يكفي لتمييزها من ضوضاء إلكترونية. قيَّم المؤلفون مقدار التذبذب العشوائي الذي يُنتجه الجهاز عند ترددات وإعدادات تشغيل كهربائية مختلفة. وجدوا أن ضوضاء النوع «1 على f» عند الترددات المنخفضة كانت مهيمنة في النطاق الذي تنشأ فيه العديد من إيقاعات الدماغ. بخفض التيار المستمر المشغِّل للجهاز والانتقال من تشغيل ثابت إلى تشغيل متناوب عالي التردد، أظهروا أن هذه الضوضاء المزعجة يمكن أن تُستَبعَد بشكل كبير. حدود الكشف الناتجة، التي بلغت فقط عدة نانوتسلا عند دورة واحدة في الثانية وأصغر عند ترددات أعلى، كانت مقبولة مقارنةً بمجسات مغناطيسية قابلة للزراعة أقدم ومع أجهزة قياس الحقول المغناطيسية الأكبر بكثير التي لا يمكن زرعها.

الاختبار بإشارات دماغية صناعية وحقيقية

لمعرفة ما إذا كان مسبارهم يمكنه تتبع جهود المجالات المحلية بدقة، أنشأ الفريق أولًا اختبارًا مضبوطًا في المختبر. سلك نحاسي رفيع، مدفوع بواسطة مولد إشارات عصبية متخصص، حاكَى التيارات المنسقة لمجموعة صغيرة من الخلايا العصبية. وُضع الماغنترود بالقرب من هذا السلك داخل حاوية محمية، وتم تضخيم خرج المسبار وترشيحه ثم إعادة بنائه رياضيًا. بعد المعالجة، طابقت الإشارة المغناطيسية شكل وتوقيت نمط جهد المجال المرجعي بشكل وثيق، مما يُظهر أن المستشعر وإلكترونياته يمكنهما استعادة شكل وتوقيت هذه الإيقاعات الدماغية البطيئة.

الاستماع داخل دماغ حي

أهم اختبار أُجري على أدمغة حية لجرذان. زرع الباحثون المسبار المغناطيسي وقطبًا ميكرويًا قياسيًا بلطف على بعد أقل من عُشر الملّيمتر في الحُصين، وهو منطقة دماغية عميقة تتعلق بالذاكرة. لأن الجهازين عيَّنا تقريبًا نفس كتلة الخلايا العصبية، أمكن مقارنة التسجيلات الكهربائية والمغناطيسية مباشرة. على امتداد عدة مقاطع كل منها بضع مئات من الثواني، حلل الفريق قوة نطاقات التردد المختلفة في كلتا الإشارتين. ترافق طيفا الإشارة المغناطيسية والكهربائية بالصعود والهبوط عبر الإيقاعات الدماغية الرئيسية، خصوصًا في نطاقي ثيتا وبيتا، وبقي مقياس إحصائي للتشابه مرتفعًا ومستقرًا. بالمقابل، أظهرت التسجيلات المأخوذة من الماغنترود قبل الزرع، عندما كان يلتقط ضوضاء الخلفية فقط، توافقًا أضعف بكثير مع الإشارات الكهربائية، مما يؤكد أن الآثار المغناطيسية داخل الدماغ عكست نشاطًا عصبيًا حقيقيًا.

مصمم للصمود في بيئة الدماغ

يجب أن يظل أي غرس مستقرًا في سائل دماغي دافئ ومالح. لاختبار المتانة، غُمرت الماغنترودات في سائل شبيه بسائل المخ الفقاعي الاصطناعي عند حرارة الجسم لمدة أسبوع. قيّم الفريق مرارًا مدى استجابة الجهاز لحقول مغناطيسية اختبارية وكمية التغير في مقاومته. انحرفت كل من الحساسية وقوة الإشارة بأقل من بضعة في المئة، ما يوحي بأن الطبقات الواقية حول المستشعر منعت التآكل بفاعلية وأن المسبار قادر على تقديم قراءات موثوقة على مدى الأزمنة المطلوبة للتجارب النموذجية.

ماذا يعني هذا لواجهات الدماغ المستقبلية

تُظهر هذه الدراسة أن مستشعرًا مغناطيسيًا صغيرًا مزروعًا يمكنه تتبع نفس إيقاعات الدماغ التي ترىها الأقطاب القياسية، مع الاستفادة من قدرة الحقول المغناطيسية على المرور عبر الأنسجة بنقاوة أكبر. للفهم العام، الفكرة الأساسية هي أن نشاط الدماغ يمكن مراقبته ليس فقط بلمس شحناته الكهربائية، بل أيضًا بالشعور بصداه المغناطيسي. الماغنترود المطور هنا مضغوط وحساس ومستقر بما يكفي ليُستخدم كنوع جديد من أجهزة الاستماع للدماغ، مما قد يثري أدوات واجهات الحاسوب-الدماغ ودراسات الاضطرابات المرتبطة بإيقاعات عصبية شاذة.

الاستشهاد: Wang, Y., Luo, J., Zhang, C. et al. An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording. Microsyst Nanoeng 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01262-9

الكلمات المفتاحية: تسجيل مغناطيسي للدماغ, جهود المجالات المحلية, مقاومة مغناطيسية نفقية, واجهات عصبية, واجهة حاسوب-دماغ