مُحَرِّك عضلي عصبي معزي بديناميكيات حيوية مهندَسة لأنظمة حيوية هجينة قابلة للزراعة

إعادة بناء العضلات كآلات حية ذكية

تخيل أن الأطباء يستطيعون تحويل عضلة الشخص إلى محرك حي لا يمل، يمكن توجيهه بالحاسوب، ويستطيع البقاء بأمان بجوار أعضاء حساسة لسنوات. تصف هذه الدراسة طريقة لتحقيق ذلك. يقوّي الباحثون "مشغلاً عضلياً عصبيًا" في الجرذان—عضلة يُعاد تنظيم توصيلها العصبي عمداً بحيث يمكن تشغيلها بالإلكترونيات، تقاوم التعب، وتستمر في التصرف كنسيج طبيعي. قد تستعيد هذه المشغلات الحية الحركة يوماً ما، أو تدعم أعضاءً متدهورة، أو توفر إحساسات واقعية لطرف اصطناعي متقدم.

لماذا تجعل العضلات الحية محركات أفضل

المحركات الصناعية التي تعمل بالكهرباء أو الهواء أو السوائل قوية، لكنها ثقيلة، ومن الصعب تصغيرها إلى أحجام مناسبة للجسم، ومصنوعة من مواد لا تتوافق جيداً مع النسيج الحي. بالمقابل، العضلات الهيكلية خفيفة، فعّالة في استهلاك الطاقة، قادرة على الإصلاح الذاتي، ومصممة بالفعل للعمل داخل الجسم. يمكنها النمو والتكيف والاستجابة لإشارات عصبية دقيقة. ومع ذلك، عندما تُسيطر العضلات مباشرة بنبضات كهربائية من جهاز مزروع، تتعب بسرعة. يحدث هذا الإرهاق لأن التحفيز الكهربائي القياسي يليه تجنيد مفرط للألياف الأكبر والأسرع لكنها الأقل متانة أولاً. للاستفادة من العضلة كمحرّك قابل للزرع وموثوق، احتاج الفريق إلى تغيير تنظيم وتجنيد الألياف العصبية—دون التضحية بصحة العضلة واستدامتها الطبيعية.

تبديل مسارات الأعصاب لإعادة كتابة التحكم

أنشأ المؤلفون مشغلهم العضلي العصبي في الجرذان عبر إعادة توصيل جراحي لعضلة الساق. قطعوا أولاً العصب الحركي الطبيعي الذي يحمل الأوامر من الحبل الشوكي ومنعوا نموه مرة أخرى. ثم وجهوا عصباً مختلفاً—عصب يحمل عادةً إشارات اللمس والتمدد من الجلد والأنسجة—مباشرة إلى العضلة. مع مرور الوقت، يتجدّد هذا العصب "الحسي" داخل العضلة ويكوّن نقاط تماس جديدة مع الألياف العضلية. تُظهر الميكروسكوبيّة أن هذه الوصلات الجديدة تشبه وتتصرف كالتوصيلات الحركية الطبيعية، وتستعيد العضلة قدرتها على الانقباض عندما يُحفّز العصب الحسي كهربائياً. والأهم أن محاور هذا العصب الحسي أكثر تجانساً وأصغر حجماً من تلك في العصب الحركي الأصلي، مما يمهد لتجنيد أكثر توازناً لألياف العضلة تحت تحكم الحاسوب.

عضلات تستمر في العمل عند الضغط عليها بشدة

بعد شفاء العضلات المعاد توصيلها، وضعها الفريق تحت اختبارات متطلبة. قارنوا العضلات الأصلية بالمشغلات الجديدة خلال انقباضات مفردة متكررة وأثناء فترات طويلة من الانقباض المستمر. فقدت المشغلات العضلية العصبية القوة بوتيرة أبطأ بكثير وأظهرت إنتاجية أكثر ثباتاً مع مرور الوقت، مع تحسّن بنسبة 260 بالمئة في مقاومة الإجهاد أثناء العمل المستمر. كان سلوكها عبر دقائق مختلفاً جوهرياً عن العضلة غير المعدلة: بدلاً من هبوط سريع في القوة، انخفضت القوة تدريجياً ثم استقرت. وعلى الرغم من فقدان بعض الكتلة خلال عملية إعادة التوصيل، حافظت المشغلات على بنية ليفية صحية وأنتجت قوة مماثلة لكل وحدة كتلة كما في العضلة الأصلية، وظلت في حالة جيدة لمدة لا تقل عن 15 أسبوعاً حتى دون تمرين أو تحفيز إضافي.

تحكم حاسوبي دون إزعاج الدماغ

بما أن التوصيل العصبي الجديد يفصل العضلة عن إشارات الحركة الطبيعية من الدماغ، تأتي كل الانقباضات الآن من مُحفز خارجي. يدمج الباحثون العضلة في حلقة تغذية راجعة: يقيس مستشعر القوة، يعدّل متحكم تحفيز العصب، ويتتبع النظام هدف قوة محدد عبر العديد من الدورات. تفشل العضلات الأصلية بسرعة في هذا الإعداد، لكن المشغلات العضلية العصبية تستمر في اتباع إشارات الأوامر. لجعل النظام أكثر أماناً ومرونة، قدّم الفريق أيضاً "حجباً عصبياً" قابلاً للعكس. بتطبيق إشارة كهربائية عالية التردد على العصب أقرب إلى الحبل الشوكي، يمنعون نبضات التحفيز من إرسال إشارات غير مرغوب فيها إلى الجهاز العصبي المركزي بينما يظل جانب العضلة قادراً على الاستجابة. في الاختبارات، استمر المشغل في توليد قوى مُتحكّم بها بينما ظل الدماغ معزولاً بفعالية عن التحفيز الاصطناعي.

من الأطراف البيونية إلى مساعدة الأعضاء المتدهورة

لتوضيح كيف يمكن استخدام هذا المحرك الحي، بنى المؤلفون نظامين تجريبيين في الجرذان. في الأول، ركبوا المشغل على التوالي مع عضلة أخرى تمثل العضلة المتبقية عند موضع بتر. عن طريق شد أو إرخاء هذا الثنائي، يغيرون تمدد العضلة المتبقية وبالتالي نشاط ألياف عصبها الحسي—بمعنى آخر، يزيدون أو يقللون إحساس الطرف بموقعه وقوته. قد يوفر هذا "واجهة ميكانيكية عصبية إدراكية" في نهاية المطاف تغذية راجعة بإحساس طبيعي من الأطراف الروبوتية أو الصور الافتراضية. في النظام الثاني، لفّوا المشغل حول حلقة من الأمعاء الدقيقة المملوءة بسائل. عند تشغيله بتحفيز عصبي، تضغط العضلة وتطلق جزء الأمعاء، وتُظهر تعقب الحركة أن العضو يتحرك بالتزامن مع المشغل. هذا يلمّح إلى أجهزة مستقبلية قد تمنح دعماً ميكانيكياً لأعضاء ضعفت مثل الأمعاء أو المثانة أو حتى القلب.

ماذا قد يعني هذا لطب المستقبل

عموماً، تُظهر هذه العمل أن بإعادة توجيه الأعصاب بعناية يمكن تحويل عضلة الشخص إلى مشغل مقاوم للتعب، يُدار بالحاسوب، ويستمر في التصرف كنسيج أصلي ويمكن عزله كهربائياً عن الدماغ عند الحاجة. ونظراً لأن النهج يعتمد على تقنيات جراحية وأقطاب شبيهة بالأدوات السريرية الموجودة بالفعل، فقد يكون أسهل في الانتقال إلى التطبيق السريري من الغرسات الصناعية بالكامل أو الأنسجة المزروعة مخبرياً. إذا أمكن بناء مشغلات عضلية عصبية مماثلة والتحكم بها بأمان في البشر، فقد تشكل نواة أنظمة حيوية هجينة جديدة تستعيد إحساس الطرف، تساعد الأعضاء المتدهورة، وتوفر إشارات ميكانيكية دقيقة للجسم دون ثقل وصلابة الآلات التقليدية.

الاستشهاد: Song, H., Herrera-Arcos, G., Friedman, G.N. et al. A myoneural actuator with engineered biophysics for implantable biohybrid systems. Nat Commun 17, 2584 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70626-6

الكلمات المفتاحية: مشغّل حيوي-هجيني, زرع عصبي تقويمي, إرهاق العضلات, تجدد الأعصاب, دعم الأعضاء