باحثون في جامعة كورنيل يطورون جهازًا لاسلكيًا خفيف الوزن للغاية لتتبع أدمغة الحيوانات في البرية

طور مهندسون حيويون وعلماء أعصاب في جامعة كورنيل جهازًا لاسلكيًا شديد التضئيل لتسجيل النشاط الدماغي، صُمم لمراقبة النشاط العصبي للحيوانات أثناء التحرّك الحر في بيئاتها الطبيعية. ووفقًا لمجلة TOI Science Desk، يزن النظام أقل من القطعة النقدية القياسية من فئة 10 سنتات الأمريكية (دايم)، والتي تبلغ كتلتها الرسمية 2.268 غرام. ومن خلال الاستغناء عن حزم البطاريات الضخمة وحزم الألياف الضوئية السميكة والأسلاك الفيزيائية التي تربط الحيوانات بأجهزة التسجيل، تتيح هذه التكنولوجيا للباحثين رصد كيفية التنقل والتواصل والتفاعل الاجتماعي لدى الحيوانات دون أي تداخل ميكانيكي.

## Key facts

- صممه باحثون في جامعة كورنيل بمدينة إيثاكا في ولاية نيو يورك. - كتلته أخف من قطعة الدايم الأمريكية، ما يجعل الوزن الإجمالي للجهاز أقل من 2.268 غرام. - يعمل عبر القياس اللاسلكي عن بُعد منخفض الطاقة لبث البيانات العصبية في الوقت الفعلي. - يتيح الحركة الفيزيائية غير المقيدة، بما في ذلك التنقل والتفاعل الاجتماعي والتواصل. - يتغلب على قيود الوزن الفيزيائي التي كانت تحد سابقًا من التسجيل العصبي اللاسلكي في نماذج الحيوانات الصغيرة.

## What happened

وفقًا لما أوردته TOI Science Desk، صمم فريق جامعة كورنيل وحدة قياس عصبي عن بُعد مدمجة بالكامل وخفيفة الوزن، قادرة على التقاط الإشارات الكهربائية المعقدة من الدماغ أثناء تثبيتها على حيوان يتحرك بحرية. وغالبًا ما تتطلب تجارب الفسيولوجيا العصبية التقليدية ربط الحيوانات بأجهزة تسجيل ثابتة عبر كابلات محورية أو كابلات ألياف ضوئية، أو حمل أجهزة رأسية ثقيلة تغير خطوتها ووضعية جسمها الطبيعية.

وتدمج المعدات الجديدة بين تضخيم الإشارة، والدوائر الدقيقة الرقمية، والإرسال اللاسلكي على لوحة دوائر مجهرية تعمل بمصدر طاقة ضئيل. ومن خلال تقليل الحجم والكتلة الفيزيائية للجهاز إلى أقل من غرامين، يمكن تثبيت الجهاز على حيوانات التجارب المعملية الصغيرة أو الحيوانات البرية دون تجاوز حدود الحمولة الفسيولوجية. ويتيح ذلك للباحثين بث البيانات العصبية باستمرار عبر قنوات لاسلكية عالية التردد أثناء حركة الحيوانات، أو بحثها عن الطعام، أو تواصلها، أو انخراطها في سلوكيات اجتماعية ضمن بيئات معقدة.

## Why it matters

تتطلب معرفة الأسس العصبية للسلوك المعقد مراقبة الحيوانات عندما تكون تصرفاتها غير مقيدة. وعقودًا طويلة، واجه علماء الفسيولوجيا الكهربائية مفاضلة جوهرية: إذ لم يكن بالإمكان جمع بيانات عصبية عالية الدقة إلا من حيوانات تفتقر إلى الحركة، أو مثبتة، أو سحّابة لكابلات ثقيلة تقيد حركتها الطبيعية. ويمكن لهذه البيئة الاصطناعية أن تغيّر مستويات التوتر، وأنماط التنقل، ودوائر التفريغ العصبي، ما قد يؤدي إلى تشويه الملاحظات العلمية المتعلقة بالرسم الخرائطي المكاني، والوظيفة التنفيذية، والتفاعل الاجتماعي.

ومن خلال تقليل وزن الجهاز إلى ما دون عتبة 2.268 غرام (وزن الدايم الأمريكي)، يفتح جهاز كورنيل آفاقًا بحثية جديدة لنماذج الحيوانات الصغيرة. ففئران المختبرات (*Mus musculus*)، التي يتراوح وزنها عادة بين 18 و30 غرامًا، يمكنها حمل هذا الجهاز الرأسي دون تجاوز الإرشادات البيطرية القياسية لكتلة الحمولة. كما يتيح رصد النشاط اللاسلكي خفيف الوزن للباحثين دراسة أنواع يستحيل تكرار سلوكياتها في إعدادات المختبرات المربوطة بكابلات، مثل الطيور المغردة أثناء الطيران، أو الخفافيش أثناء التوجّه في أبعاد ثلاثة، أو القوارض التي تتحرك عبر جحور معقدة تحت الأرض.

وبخلاف البحوث البيولوجية الأساسية، تتمتع المبادئ الهندسيّة التي تقود القياس اللاسلكي عن بُعد لأجهزة يقل وزنها عن غرام بأهمية وتطبيقات مباشرة في الهندسة الطبية الحيوية للبشر. تُعد الواجهات العصبية خفيفة الوزن للغاية ومنخفضة الطاقة عنصرًا أساسيًا لتطوير الجيل القادم من واجهات الدماغ والحاسوب (BCIs)، والتشخيصات الطبية اللاسلكية، والأطراف العصبية الاصطناعية المتقدمة التي تتطلب الحد الأدنى من استهلاك الطاقة والنتاج الحراري الضعيف جدًا.

## The background

شهد مجال الفسيولوجيا الكهربائية تطورًا كبيرًا منذ منتصف القرن العشرين، عندما سجل العلماء لأول مرة جهد الفعل الفردي في أنسجة الدماغ باستخدام أقطاب كهربائية دقيقة معدنية رفيعة. وتطلبت الدراسات المبكرة تثبيت حيوانات التجارب في أطر مجسمة (stereotaxic frames) لمنع التداخلات الناجمة عن الحركة من تشويه الإشارات الكهربائية الدقيقة.

وفي عام 1971، اكتشف عالم الأعصاب John O'Keefe خلايا المكان في حصين القوارض باستخدام تقنيات سلكية مرنة مبكرة للتسجيل، وهو العمل الذي منحه مناصفة جائزة نوبل في الطب أو الفسيولوجيا عام 2014 مع May-Britt Moser وEdvard Moser، اللذين اكتشفا خلايا الشبكة في عام 2005. واعتمدت تلك الرؤى الأساسية حول كيفية بناء الدماغ للخرائط المكانية على كابلات متصلة بمبدلات دوارة معلقة فوق حلبات مفتوحة. ومع ذلك، تظل التجهيزات المربوطة بسلك محدودة بسبب عزم الدوران، واحتكاك الكابلات، وتشابكها، ما يقتصر التجارب على مساحات مغلقة مسطحة ومفتوحة.

وفي العقود الأخيرة، مكنت إلكترونيات الحالة الصلبة والأنظمة الكهروميكانيكية المصغرة (MEMS) من ابتكار مجسات عصبية سيليكونية، مثل تكنولوجيا Neuropixels التي أُطلقت عام 2017. ورغم أن هذه المجسات زادت بدرجة كبيرة من عدد القنوات الدماغية المسجلة بالتزامن—من العشرات إلى المئات أو الآلاف—إلا أنها ظلت تعتمد بشكل كبير على كابلات البيانات الفيزيائية أو الأجهزة الرأسية الثقيلة لمعالجة البيانات والطاقة. وتفرض لجان رعاية واستخدام الحيوانات التابعة للمؤسسات البحثية الكبرى (IACUC) عمومًا ألا تتجاوز الأجهزة التجريبية المثبتة على الرأس 5% إلى 10% من إجمالي وزن جسم الحيوان لمنع إجهاد الرقبة، أو تغير الميكانيكا الحيوية، أو الضائقة المزمنة. ونتيجة لذلك، ظل تحقيق التسجيل العصبي اللاسلكي تحت وزن غرامين هدفًا رئيسيًا في الهندسة العصبية.

## Reaction

ورغم أن التقرير الأولي الصادر عن TOI Science Desk لم يتضمن تصريحات رسمية علنية من هيئات أكاديمية خارجية، فمن المتوقع أن يجذب هذا التطور اهتمامًا كبيرًا عبر مجتمعات علوم الأعصاب والهندسة الحيوية والأبحاث الأخلاقية العالمية.

ومن المتوقع أن يقوم علماء الأعصاب المتخصصون في علم سلوك الحيوان (الإيثولوجيا)—وهو دراسة السلوك الطبيعي للحيوانات—بتقييم أداء الجهاز عبر ظروف بيئية مختلفة، مثل المواقع الميدانية ذات الرطوبة العالية أو الجحور تحت الأرض. ومن المرجح أن يرحب المدافعون عن رفاهية حيوانات المختبر ولجان الإشراف المؤسسي بتخفيض العبء الفيزيائي على خاضعي التجارب، حيث تقلل المعدات الأخف وزنًا الإجهاد البدني وتخفض مخاطر الإصابة الميكانيكية المرتبطة بتشابك الكابلات.

كما يُتوقع أن تقوم شركات التكنولوجيا العصبية التجارية ومبادرات الأجهزة مفتوحة المصدر في علوم الأعصاب بمراجعة البنية التصميمية للنظام لبحث إمكانية دمج بروتوكولات الإرسال اللاسلكي منخفضة الطاقة في بيئات العمل البحثية الحالية أو تطويرها لتلائم التقنيات العصبية البشرية.

## What we don't know yet

تظل العديد من التفاصيل الفنية الرئيسية غير مؤكدة في التقرير الأولي لـ TOI Science Desk. إذ لم يتم تحديد عدد القنوات الدقيق—أي عدد خلايا الدماغ الفردية أو إمكانات المجال المحلي التي يمكن للجهاز مراقبتها في وقت واحد. وعادةً ما تتطلب الأنظمة ذات الكثافة العالية للقنوات قوة معالجة ونطاقًا تبادليًا أكبر للإرسال، ما يخلق مفاضلات تصميمية بين دقة البيانات وكتلة البطارية.

بالإضافة إلى ذلك، لا يزال عمر البطارية التشغيلي والمدى اللاسلكي المستمر للجهاز غير محددين. ومن غير الواضح حاليًا ما إذا كان الجهاز يعتمد على بطاريات مصغرة أوليّة، أو مكثفات فائقة الدقة قابلة للإعادة الشحن، أو نقل طاقة لاسلكي مستمر عبر حصاد الترددات الراديوية (RF). كما لم يُكشف بعد عن أنواع الحيوانات المحددة التي استُخدمت لاختبار النظام خلال التجارب الأولية، أو ما إذا كان الجهاز سيُطرح كأداة أكاديمية مفتوحة المصدر أم سيُسوق تجاريًا من خلال مشروع خاص.

## What to watch

ستكون الخطوة التالية المباشرة لفريق البحث في جامعة كورنيل هي نشر منهجيتهم الكاملة وبيانات التحقق التجريبي في مجلة علمية محكّمة. وسيتابع الباحثون والمراقبون في هذا القطاع هذه الأوراق البحثية القادمة للحصول على مقاييس تفصيلية حول نسبة الإشارة إلى الضوضاء، وتبديد الطاقة، وملفات السلامة الحرارية، واستقرار الإشارة على المدى الطويل في الزرع المزمن.

ترقبوا دراسات المتابعة التي تستعرض هذه التكنولوجيا في بيئات تجريبية غير تقليدية، مثل المساحات الاجتماعية متعددة الحيوانات، أو المتاهات ثلاثية الأبعاد المعقدة، أو المحطات الميدانية الخارجية. وقد تحاول مؤسسات بحثية أخرى أيضًا تكييف التكنولوجيا مع أدوات تجريبية مكملة، مثل دمج الفسيولوجيا الكهربائية اللاسلكية مع علم الوراثة الضوئي الخالي من الألياف أو الكاميرات المصغرة المثبتة على الرأس (miniscopes).

*استند هذا التقرير إلى تغطية إخبارية أصلية قدمتها TOI Science Desk.*