برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
اختراعات علمی: علی پوراحمد | طبقه بندی: اختراعات جدید در ایران و جهان | دسته: اختراعات ثبت شده در ایران و جهان
دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ مقدمه و اهداف:
در این مقاله بطور مختصر به بررسی نحوه کار دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی میپردازیم.
ایده اولیه خلق این دستگاه در سال 2009 پس از خواندن کتاب The Brain That Changes Itself - 2007 «مغزی که خودش را تغییر میدهد» نوشته روانکاو "نورمن دویج" Norman Doidge در ذهن من شکل گرفت. در این کتاب نورمن دویج به تشریح انعطافپذیری نورون های مغز برای تغیر و تصحیح مسیر پالس های عصبی پرداخته بود. با توجه به علاقه دیرینه و بسیار زیادم به کاوش در ساختار مرموز ریز ترین اجزای تشکیل دهنده مغز, در سال 2009 به تشویق و پیشنهاد جناب دکتر مسعود شفیعی (از دوستان نزدیکم) که استاد دانشگاه پزشکی در مجارستان بود, شروع به مطالعه طیف بسیار وسیعی از کتب پزشکی برای ادامه تحصیل در رشته پزشکی آن دانشگاه نمودم اما در نهایت پس از 7 ماه بدلیل تعهدات خانوادگی در کنار تعهدات مسئولیت پذیری در ایر لاین از این تصمیم انصراف دادم. با اینحال تا به امروز این علاقه کاهش نیافته و در هر فرصتی فراهم بوده همچنان به مطالعه در ساختار پر رمز و راز مغز ادامه داده ام.
مطالعه مداوم کتابهای تخصصی و گوناگون پزشکی در آن سالها ضمن بالا بردن آگاهی من از این قلمرو بی پایان و شگفت انگیز منجر به خلق ایده های علمی مختلفی شد که یکی از آنها امکان ساخت دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن و استفاده از هیچگونه مواد خوراکی بود. در حقیقت ایده من شکل اختصاصی تر استفاده از تکنیک اپتوژنتیک Optogenetics برای کنترل کامل سیستم چشایی مغز بود. دو سال بعد در سال 2012 من ایده ام را در فیلمنامه فیلم علمی تخیلی بسوی آینده Towards the future به تهیه کنندگی کمپانی Da Yamms در هالیوود به نمایش گذاشتم که در بخش توضیحات فنی این مقاله به تشریح نحوه کار این دستگاه خواهم پرداخت.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
قبل از تشریح جزییات فنی لازم است مروری بر مفهوم اپتوژنتیک در پزشکی داشته باشیم. اصطلاح اپتوژنتیک به ترکیب استفاده همزمان از تکنیک اپتیک و ژنتیک برای تحریک سلول های عصبی حساس به نور و بررسی میزان عملکرد آنها اطلاق می شود. با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک, شیوه های بررسی نوری و ژنتیکی با هم ادغام شده و دقت بینظیری در هدفگیری مکانی و زمانی برای بررسی و کنترل عملکرد یک سلول عصبی ایجاد می شود. با استفاده از این فناوری امکان دستکاری هدفمند و انتخاب شده بر روی مجموعه زیادی از سلول های مشخص عصبی فراهم می شود و میتوانیم تغییرات کاملا مشخصی با استفاده از پالس های الکتریکی بسیار ظریف و دقیق بر روی سلولهای هدف ایجاد نمائیم که به طور قابل توجهی این تغییرات بر مدارهای عصبی پیچیده در مغز تأثیر خواهند گذاشت. در بخش درمانی بدلیل تمرکز مطلق اپتوژنتیک بر فعالیت عملکرد نورون های مغز, این تکنیک می تواند عاملی مهم برای درمان بیماریهای نورودژنراتیو (از دست دادن خاصیت انتخابی نورونها که منجر به نقص عملکرد سیستم عصبی می شود) محسوب گردد.
این خاصیت تحریک پذیری برخی از نورون های مغز نسبت به نور باعث گشت من را به این فکر بیندازد که چنانچه امکان ترمیم مدارهای عصبی با عملکرد ضعیف توسط تکنیک های اپتوژنتیک وجود دارد پس امکان کارکرد این تکنیک برای خنثی کردن و یا فعال کردن و کنترل کامل بخش حس چشایی در مغز نیز محتمل است. بعبارتی با تحریک بخش حساس به نور در سلول های عصبی موجود در بخش هسته خلفی-میانی شکمی تالاموس Ventral posteromedial nucleus of the thalamus و بدون استفاده از پالس های دریافتی نورون ها از مسیر اتصال مولکولهای شیمیایی مواد خوراکی به پروتئین غشای پلاسمای سلول های Gustatory Cortex ما خواهیم توانست به یک حس چشایی مصنوعی در مغز دست یابیم. هرچند این ایده بعد ها بر روی موش های آزمایشگاهی امتحان شد اما استفاده از آن بر روی انسان بدلایلی تا کنون انجام نیافته است.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
یکی از عواملی که باعث گشت خلق این ایده در ذهن من شکل گیرد ارتباط ذاتی نیاز, عادت و علاقه انسان با سیگنالهای تجربه خوشایند چشایی مزه ها (نظیر شوری یا شیرینی) بود. بعنوان مثال با توجه بر نیاز ضروری سلول های بدن به میزان کنترل شده و مشخصی از گلوکز (مواد قندی بعنوان یکی از مهمترین منابع تولید انرژی), و پس از مصرف مواد غذایی گلوکز دار سیستم دوپامین مزولیمبیک (Mesolimbic Dopamine) در مغز فعال شده و ایجاد حس لذت و نیاز مجدد به مصرف مواد قندی را افزایش می دهد. مسیر عصبی منتهی به مزولیمبیک حس پاداش، میل و احساسات را در مغز افزایش می دهد بدین صورت که با مصرف مواد قندی دوپامین از تگمنتوم شکمی (VTA) به هسته اکومبنس، آمیگدال و هیپوکامپ منتقل شده و ضمن فعال سازی سیستم پاداش, نیاز به مصرف مجدد مواد قندی یا نمکی را افزایش می دهد.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
چنین افزایشی در اشخاصی که مقدار ترشح انسولین در خون آنها کمتر از میزان لازم برای طبیعی نگهداشتن قند خون است ( بیماران دیابت قندی Diabetes Mellitus) منجر به بروز خطرات جدی می شود. این موضوع برای کسانی که به فشار خون مبتلا هستند نیز صادق است چون با مصرف بیش از حد مواد نمک دار, احتقان آب در بدن (Water retention) توسط سدیم رخ داده که منجر به افزایش حجم و تشدید فشار خون بعنوان یکی از عوامل اصلی سکته مغزی می شود. از سویی پرهیز از خوردن مواد شیرین و یا شور نیاز به اراده قوی, تمرین ذهنی مداوم و مراقبتهای ویژه دارد که این توانایی و قابلیت در تمامی اشخاص دارای سطحی یکسان نیست.
در چنین شرایطی استفاده از دستگاه ایجاد حس چشایی مصنوعی برای این دسته از اشخاص می تواند راه حلی جایگزین بوده تا ضمن رفع نیاز لذت از دریافت مزه های گوناگون, از بوجود آمدن پیامدهای مخاطره آمیز مصرف واقعی مواد قندی یا نمکی جلوگیری نمایند زیرا با کنترل میزان تحریک پذیری هسته خلفی-میانی شکمی تالاموس می توان مقدار مورد نیاز و مناسب حس چشایی از مزه های گوناگون را بصورت مصنوعی در بخش قشر چشایی Gustatory Cortex شبیه سازی کرد بدون اینکه مواد غذایی توسط پپیلی زبان Lingual Papillae چشیده و وارد ترکیب خون شود.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
تصور کنید که به جای دارودرمانی مرسوم با استفاده از قرص های شیمیایی بتوانیم بیماریها را به سادگی با پرتوهای نور و از درون مغز درمان کنیم، در حقیقت رخ دادن این موضوع آنقدرها هم که فکر میکنیم دور از واقعیت نیست زیرا در سالهای اخیر ما شاهد توسعه زیاد فناوری بیوالکترونیک مبتنی بر نور بوده ایم و من امیدوارم چنین ایده هایی هر چه زودتر به مرحله استفاده درمانی رسیده تا توسعه بیشتری در گستره عملکردی آن انجام پذیرد.
◉ توضیحات فنی اختراع:
در ابتدا نیاز است نگاهی داشته باشیم به بخش های مختلف مغز که بطور مستقیم و یا غیر مستقیم در روند عملکرد سیستم قشر چشایی Gustatory Cortex دخیل هستند. در تقسیم بندی کلی, مغز به مخ Cerebrum، ساقه مغز Brainstem و مخچه Cerebellum تقسیم می شود. مخ بعنوان بزرگترین بخش مغز در قسمت جلویی مغز قرار گرفته و متشکل از ماده خاکستری قشر مغز و ماده سفید در مرکز آن است. این بخش از مغز ضمن تنظیم دما, حرکت سیگنالهای مربوط به حواس بینایی، شنوایی، لامسه را آغاز و ارتباط بین عملکردهای گفتار، قضاوت، تفکر و استدلال، حل مسئله، بروز احساسات و توانایی یادگیری را هماهنگ و برقرار می کند.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
ساقه مغز Brainstem متشکل از مغز میانی Midbrain، پل مغزی Pons و بصل النخاع Medulla است که بخش مخ را به نخاع متصل میکند. مغز میانی یا مزن سفلآن Mesencephalon در خود ساختاری بسیار پیچیده دارد که با طیف وسیعی از خوشههای نورونی مختلف, مسیرهای عصبی گوناگون و نورونهای دوپامین مستقر در جسم سیاه, امکان عملکردهای مختلفی مثل شنوایی و حرکت گرفته تا محاسبه پاسخهای متناسب به سوالات را انجام میدهد. پل مغزی منشأ 4 عصب از 12 عصب جمجمهای است که انجام فعالیتهایی مانند بوجود آمدن اشک، جویدن، پلک زدن، تمرکز بینایی، تعادل، شنوایی و حالتهای احساسی در چهره را ممکن میسازد. بصلالنخاع در قسمت پایین ساقه مغز و در جایی که مغز به نخاع متصل می شود قرار دارد که تنظیم کننده بسیاری از فعالیتهای بدن، مثل ریتم قلب، شیوه تنفس، سرعت حرکت جریان خون و مقدار سطح اکسیژن و دی اکسید کربن در خون است. نخاع از پایین بصل النخاع و از طریق یک سوراخ بزرگ در پایین جمجمه به سایر بخش های بدن امتداد می یابد که رابط ارسال سیگنالها به مغز و بالعکس است. مخچه بخش کوچکی از مغز است که در پشت جمجمه و در زیر لوبهای گیجگاهی و بالای ساقه مغز قرار دارد که دارای دو نیمکره است. قسمت بیرونی حاوی نورونها و ناحیه داخلی محل ارتباط با قشر مغز است تا بتواند عملکردهای مختلفی نظیر حرکات ارادی عضلات و یا حفظ تعادل وضعیت بدن را ایجاد کند.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
مطابق شبیه سازی کامپیوتری که در ویدیوی انتهای این مقاله قابل مشاهده است, قسمتی از مغز که بیشترین ارتباط با ایده ایجاد حس چشایی مصنوعی را دارد بخش دآین سفلون Diencephalon است. دآین سفلون در عمق زیر مخ قرار دارد و محل تشکیل دیوارههای بطن سوم مغز است. سه ناحیه اصلی دیانسفالون عبارتند از تالاموس، هیپوتالاموس و اپیتالاموس که هر کدام وظایف و عملکرد جداگانه و مشخص شده ای دارند و در بین آنها بخش تالاموس اصلی ترین نقش را در تکمیل پروسه حس چشایی ایفا می کند زیرا گستره نورونهای چشایی از ناحیه سلولهای چشایی در زبان Tongue، مری Esophagus و کام Palate به بصل النخاع Medulla در ساقه مغز Brainstem امتداد یافته و سپس به تالاموس و در نهایت به قشر چشایی Gustatory Cortex میرسد. علیرغم اینکه اطلاعات چشایی با شروع از مناطق مختلف سطح زبان و سپس عبور از نواحی سه گانه بصل النخاع، تالاموس و قشر مغز تفکیک می شود اما بخش تالاموس نقش پردازشگر اصلی این داده ها قبل از ارسال به بخش قشر چشایی Gustatory Cortex را بعهده دارد. وظیفه اصلی قشر چشایی پردازش مزههای اساسی مانند شیرینی، ترشی، شوری، تلخی و اومامی است که با دریافت سیگنالها از گیرندههای چشایی بر روی زبان و سایر قسمتهای دهان فعال میشود.
مسیر عبور اطلاعات پس از دریافت گیرنده های عصبی زبان به گانگلیون زانویی Petrosal and geniculate ganglion در یک سوم قدامی زانوی عصب صورت رفته و سپس وارد هسته حسی اصلی در بصل النخاع پشتی Nucleus of solitary tract می شود. این سیگنالها در هریک از این نواحی تفکیک بندی شده و سپس وارد هسته خلفی-میانی شکمی Ventral posteromedial nucleus of the thalamus برای پردازش و ایجاد داده های اصلی جهت حس چشایی می شوند. این داده ها پس از پردازش به قشر چشایی Gustatory Cortex رفته و ایجاد احساس مزه های مختلف را بوجود می آورند. در حقیقت شروع ایده قدیمی من در بخش هسته خلفی-میانی شکمی Ventral posteromedial nucleus of the thalamus رخ می دهد جایی که میبایست بجای دریافت سیگناهای روان شده از زبان, سیگنالهای ظریف الکتریکی مصنوعی را قرار دهیم تا همان عملکرد طبیعی را برای هسته خلفی-میانی تالاموس شبیه سازی کنیم. بعبارتی از این بخش هر سیگنالی که از منطقه تحریک پذیر خلفی میانی تالاموس خارج شود بعنوان داده های مشخص مزه های مختلف توسط قشر چشایی شناخته شده و واکنش احساسی نسبت به مزه ها را در مغز بوجود می آورد.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
برای حصول این مقصود من مجددا به سراغ تکنیک های اپتوژنتیک برای فعال کردن سلول های مسئول تولید داده برای مزه های مختلف رفتم. این سلول های در بخش هسته خلفی-میانی شکمی تالاموس قرار دارند که امکان ایجاد واکنش و تولید داده برای ایجاد مزه های مختلف را با برخورداری از پروتئینهای حساس به نور در درون خود دارند. این پروتئینهای حساس به نور در دسته بندی های مختلفی واکنش پذیری از خود نشان می دهند بعنوان مثال بخش های مهمی از آنها شامل کانالهای یونی واکنش پذیر از نور، گیرندههای جفتشده با پروتئین G (GPCR) واکنش پذیر از نور، دامنههای برهمکنش پروتئین به پروتئین واکنش پذیر از نور و نیز گروههای قفسی شکل واکنش پذیر از نور می باشد. در بخش هسته خلفی-میانی شکمی تالاموس سلول های تولید پالس برای قشر چشایی وجود دارند که امکان جایگزین کردن سیگنال های ارسالی از بصل النخاع پشتی با سیگنالهای ایجاد شده توسط تحریک پروتئین های حساس به طول موج نور آبی یا فرابنفش را فراهم می کنند.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
بعبارتی با تابش یک طول موج نفوذ پذیر و کنترل شده از نور آبی یا فرابنفش مغناطیسی به هسته خلفی-میانی تالاموس, پروتئین های چسبیده به سلولهای نورون های این ناحیه تحریک شده و پالس ظریف الکتریکی برای فعال کردن قشر چشایی Gustatory Cortex ارسال می کنند. این پالس ها حاوی داده های مرتبط با ایجاد مزه ها به تناسب ناحیه هدف توده سلول ها در تالاموس است بعبارتی هر بخشی از توده سلولی در تالاموس تعیین کننده ایجاد نوع مشخصی از حس چشایی است و بمحض تحریک پذیری, اطلاعات مشخصی را برای بخش قشر چشایی و درک مزه ها ارسال می کند.
بنابراین با این روش میدانهای قشری شیرین یا تلخ را می توانیم به صورت انتخابی فعال کنیم و این کار توسط تزریق ویروس های بیضرر و حامل ژن پروتئین حساس به نور در ناحیه تالاموس امکان پذیر است زیرا نورونهایی که این ژن را دریافت میکنند و پروتئین را تولید میکنند، امکان واکنش در برابر طول موج و رنگ منبع نور را خواهند داشت.
◉ اختراع: دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
در پایان این مقاله کوتاه بایستی اشاره کنم که دریافت حس و مزه از مواد خوراکی مشخصا و منحصرا به میزان ورودی آنها بر روی زبان و درون دهان ارتباط مستقیمی ندارد زیرا این گیرندههای چشایی مغز است که مواد شیمیایی را درک و مزه های گوناگون را تولید می کند، چنانچه با غیر فعال کردن ناحیه تالاموس امکان ارتباط آن با بصل النخاع, هسته خلفی میانی, و قشر چشایی را قطع نمائیم علیرغم خوردن مقدار زیادی مواد خوراکی, اما هرگز قادر به درک حس چشایی و تشخیص مزه نخواهیم شد. بالعکس این موضوع نیز صادق است یعنی چنانچه ناحیه مذکور در تالاموس را با هدف گذاری تحریک حس چشایی بوسیله تابش نور مغناطیسی یا فیبر های نوری داخلی فعال نمائیم علیرغم نخوردن و نچشیدن هیچگونه مواد غذایی اما قادر به دریافت و درک کامل مزه های گوناگون در حس چشایی خود خواهیم بود.
پایان مقاله//
◉ ویدیوی دستگاه ایجاد حس چشایی و مزه مصنوعی در مغز بدون چشیدن مواد خوراکی / از دسته «اختراعات علی پوراحمد»
◉ سازنده انیمیشن این ویدیو: علی پوراحمد
◉ سازنده موسیقی این ویدیو: علی پوراحمد
◉ گفتار متن: علی پوراحمد
◉ زبان: انگلیسی
◉ زیر نویس فارسی: ندارد
درباره مخترع و نویسنده این مقاله 👇 :
سایر مقالات علی پوراحمد :
◉ آیا هوش مصنوعی میتواند خالق هنر و جایگزینی برای هنرمند و خلاقیت انسانی باشد؟
◉ چرا در سینمای ایران ژانر علمی تخیلی وجود ندارد!
◉ عوامل تاثیر گذار در خلق اختراعات, چگونه میتوانیم یک مخترع شویم!
◉ آیا خدا وجود دارد؟ آیا وجدان می تواند جایگزین خدا شود؟
تبلیغات
