إلكترونيات مستوحاة من الأحياء: واجهات عصبية لينة، حيوية هجينة، و"حية"

أجهزة لطيفة للجهاز العصبي

من واجهات دماغ–حاسوب التي تُمكّن الأشخاص من تحريك أذرع روبوتية إلى مُنَبِّهات عمق الدماغ التي تُخفّف من أعراض باركنسون، تتحول الإلكترونيات التي تتواصل مع أعصابنا بسرعة من خيال علمي إلى واقع طبي. ومع ذلك، تظل الأجهزة الحالية، في جوهرها، قطعاً من المعدن والسيليكون تُدخَل في أنسجة لينة كالهلام. تشرح هذه المراجعة كيف يعيد العلماء تصميم هذه الأدوات لتشبه الجسم نفسه أكثر — أكثر ليونة، وأكثر نشاطاً حيوياً، وحتى جزئياً حية — على أمل جعل الزرعات العصبية أكثر أماناً وأطول عمراً وقادرة على مساعدة الدماغ والأعصاب على الشفاء.

لماذا تفشل الزرعات التقليدية

تُبنى الزرعات العصبية التقليدية، مثل مصفوفات يوتاه وأقطاب تحفيز عمق الدماغ، من معادن وسيليكون صلبة. هذه المواد أكثر صلابة من نسيج الدماغ بملايين المرات، حيث يتصرف الدماغ أكثر مثل الهلام منه إلى الزجاج. هذا التفاوت يجعل من الصعب على الأجهزة أن تتوافق مع الحركات الدقيقة والأشكال التي يتخذها الدماغ. مع تحرك النسيج عند كل نبضة قلب وتنفس، يفرك ويشدّ الأقطاب الصلبة النسيج، مسبباً إصابات دقيقة. يتعرّف الجسم على هذه الأجسام الغريبة ويطلق استجابة مناعية، فيحاط بها بطبقة ندبية كثيفة من خلايا الدعم. مع الزمن، تزيد هذه الندبة المقاومة الكهربائية بين الجهاز والخلايا العصبية القريبة، ما يضعف جودة الإشارة ويحد من المدة التي يمكن أن يعمل فيها الزرع بشكل موثوق.

أجهزة لينة تتحرك مع الدماغ

لتقليل هذا الضرر، يبني الباحثون إلكترونيات "مقلّدة للأحياء" — أجهزة تتشابه خصائصها الفيزيائية مع الأنسجة التي تلامسها. بدلاً من الأعمدة السميكة والصلبة، يصنع المهندسون الآن أفلاماً فائقة الرقة، وأليافاً مرنة، وهياكل شبكية مفتوحة يمكنها الانثناء والالتفاف كخلايا حية. تساعد البوليمرات اللينة والمطاطات القابلة للتمدد والهلاميات الغنية بالماء على مُطابقة ليونة الدماغ وتخفيف القوى التي تُحفّز الالتهاب. تُنسَج بعض هذه الأجهزة من بلاستيك موصل أو مواد نانوية مثل الغرافين ضمن هياكل مرنة، محافظةً على تسجيل كهربائي عالي الجودة بينما تُخفض الصلابة بشكل كبير. بعض الواجهات اللينة، بما في ذلك زرعات دماغ خيطية وشبكات رقيقة تستقر على سطح المخ، دخلت بالفعل تجارب بشرية، ما يُظهر أن ميكانيكا لطيفة يمكن أن تتعايش مع إلكترونيات متقدمة.

أسطح تدعو الخلايا للاندماج لا لصدها

جعل الأجهزة لينة هو جزء فقط من الحل. تستجيب خلايا الدماغ أيضاً إلى "الإحساس" الكيميائي لسطح الزرع. تستفيد الإلكترونيات النشطة حيوياً من هذا عبر طلاء الأقطاب بمكوّنات بيولوجية يعرفها الجهاز العصبي ويثق بها، مثل بروتينات من الدعامة الطبيعية التي تحيط بالخلايا أو جزيئات قصيرة تُحفّز نمو الأعصاب. يمكن لهذه الطلاءات تشجيع الخلايا العصبية على النمو أقرب إلى الأقطاب، وتخفيف نشاط الخلايا المناعية، وترقيق الندبة التي تتشكل عادةً. صُمِّم بعض الطلاءات لإطلاق أدوية بطيئة المفعول مثل مركبات مضادة للالتهاب أو عوامل نمو في المكان المطلوب، فتصبح سلكاً سلبياً واجهة ذكية مُفرِزة للأدوية. التحدي القادم هو الحفاظ على استقرار وفعالية هذه الطبقات الرقيقة لسنوات داخل الجسم.

دمج الخلايا الحية مع الدوائر

على امتداد الطيف، تدمج الأجهزة "الحيوية الهجينة" خلايا حية فعلياً داخل الإلكترونيات أو فوقها. في إحدى الاستراتيجيات، تُنْمَى الخلايا على الأقطاب قبل الزرع، أحياناً داخل هلام مائي ناعم يقلد نسيج الدماغ. بمجرد وجودها في الجسم، يمكن لهذه الطبقة الحية إفراز جزيئات مفيدة، وجذب ألياف عصبية، وتشكيل جسر بيولوجي بين الأجهزة الصلبة والنسيج المضيف. أصدارات مبكرة، مثل أقطاب مخروطية الشكل جذبت الألياف العصبية للداخل، وقد وفّرت تسجيلات مستقرة لأكثر من عقد من الزمن في البشر. تزرع مناهج أحدث الأقطاب بالخلايا الجذعية أو خلايا عصبية أو خلايا عضلية، مستهدفة ليس فقط قراءة أو تحفيز النشاط بل أيضاً تجديد المسارات المتضررة واستعادة الوظائف المفقودة، مثل الحركة بعد إصابة عصبية. يجب على هذه الأنظمة حل مشكلات صعبة تتعلق بإبقاء الخلايا حية، وتوجيه نموها، وضمان عدم هجرتها أو تشكيل وصلات غير مرغوبة.

"أسلاك" حية بالكامل للدماغ

في الطرف الأكثر طموحاً توجد "واجهات حية" مبنية بالكامل من مواد وخلايا بيولوجية. هنا، تعمل حزم طويلة من الألياف العصبية المزروعة في المختبر ككابلات حية يمكن زرعها لإعادة توصيل مناطق الدماغ أو سد فجوات في الأعصاب المصابة. بدلاً من تمرير التيار عبر المعدن، تستخدم هذه التركيبات المشابك الطبيعية — نقاط الاتصال بين الخلايا العصبية — لنقل الإشارات. في الدماغ، تمت هندسة مثل هذه المسارات الحية لحمل رسائل كيميائية محددة، مثل الدوبامين، مما يثير الأمل في علاج حالات مثل مرض باركنسون عن طريق إعادة بناء الدوائر المفقودة بدلاً من مجرد تمويه الأعراض بنبضات كهربائية. وبما أن هذه الأجهزة بيولوجية بالكامل، فإنها تندمج جيداً مع النسيج المضيف، لكنها تتطلب طرائق جديدة لمراقبتها والتحكم بها، غالباً بالاعتماد على التصوير والتحفيز الضوئي بدلاً من الأسلاك التقليدية.

ماذا يعني ذلك لرعاية الدماغ والأعصاب في المستقبل

معاً، ترسم الواجهات اللينة والنشطة حيوياً والهجينة والحيّة بالكامل خارطة طريق نحو تقنيات عصبية تتعاون مع الجسم بدلاً من محاربته. يمكن أن تقلل الميكانيكا الأكثر ليونة والأسطح الأكثر ودّية من التندب وتمدد عمر الأجهزة؛ وإضافة خلايا حية وفي النهاية مسارات نسيجية كاملة قد تسمح للزرعات بإصلاح أو استبدال الدوائر التالفة، لا مجرد التسجيل منها. لا تزال هناك العديد من العقبات العلمية والتصنيعية والتنظيمية، خصوصاً بالنسبة للأنظمة التي تحتوي على خلايا والنظم الحية بالكامل. لكن الاتجاه واضح: من المرجح أن تبدو وتتصرف زرعات الدماغ والأعصاب في الغد أقل شبهاً بالأجهزة الصلبة وأكثر شبهاً بقطع نسيجية حية مصممة بعناية.

الاستشهاد: Boufidis, D., Garg, R., Angelopoulos, E. et al. Bio-inspired electronics: Soft, biohybrid, and “living” neural interfaces. Nat Commun 16, 1861 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57016-0

الكلمات المفتاحية: واجهات عصبية, إلكترونيات حيوية هجينة, زرعات لينة, واجهة دماغ-حاسوب, هندسة الأنسجة