इंजीनियर्ड मटेरियल से कट चुकी नसों को फिर से जोड़ा जा सकता है

• Rice University के शोधकर्ताओं ने magnetoelectric material का उपयोग कर दूर से neurons को stimulate करने और चूहों में कटी हुई sciatic nerve को जोड़ने का परीक्षण किया
• नया material समान पुराने materials की तुलना में 120 गुना तेज conversion दिखाता है, और उन signal shape तथा frequency समस्याओं को लक्ष्य करता है जिन पर neurons अच्छी तरह प्रतिक्रिया नहीं दे पाते थे
• इसकी संरचना lead zirconium titanate piezoelectric layer और Metglas magnetostrictive layer पर आधारित है, और nonlinear electrical signal बनाने के लिए platinum, hafnium oxide, zinc oxide की परतें जोड़ी गई हैं
• पूरे device को छोटा करने के लिए 200nm से कम पतली layers बनाने की process चाहिए, और लंबे समय में लक्ष्य इसे injectable form में लाना है
• यह approach nerve stimulation therapy को कम invasive बना सकती है, और bioselectronics से बाहर sensing, memory, electronics जैसे उपयोगों तक भी जा सकती है

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magnetoelectric material से नसों को remotely stimulate करना

• magnetoelectric material magnetic field को electric field में बदल सकता है, इसलिए इसे nerve tissue को minimally invasive तरीके से stimulate करने वाली therapy के संभावित विकल्प के रूप में देखा जाता रहा है
• मौजूदा materials की सीमा यह थी कि बदले हुए electrical signal की shape और frequency ऐसी होती थी जिन पर neurons आसानी से प्रतिक्रिया नहीं देते थे
• Rice University के Jacob Robinson की research team ने इस समस्या को लक्ष्य कर नया magnetoelectric material डिज़ाइन किया
  • Nature Materials में प्रकाशित study के अनुसार, यह material neurons को दूर से सटीक रूप से stimulate कर सकता है
  • इसे चूहों के मॉडल में कटी हुई sciatic nerve के बीच का gap जोड़ने में इस्तेमाल किया गया
  • यह समान materials की तुलना में magnetic-to-electric conversion 120 गुना तेज करता है

implanted device की तुलना में कम invasive nerve stimulation का लक्ष्य

• Robinson का मानना है कि इस material के गुण और performance का nerve stimulation therapy पर बड़ा असर हो सकता है
• पारंपरिक तरीके से nerve stimulation device implant करने के बजाय, बहुत कम मात्रा में material को इच्छित स्थान पर inject करना संभव हो सकता है
• Joshua Chen ने यह सवाल उठाकर काम शुरू किया कि क्या शरीर में “धूल” जितना छोटा या बहुत कम मात्रा वाला material डालकर भी brain या nervous system को stimulate किया जा सकता है
• magnetic field शरीर के भीतर आसानी से प्रवेश कर सकती है, और magnetoelectric material इसे electric field में बदल सकता है, जिसका उपयोग nervous system सूचना संचार में करता है

material की संरचना और काम करने का सिद्धांत

• शोधकर्ताओं ने lead zirconium titanate piezoelectric layer को दो Metglas magnetostrictive layers के बीच रखे magnetoelectric material से शुरुआत की
• Metglas एक metallic glass alloy है जिसे तेज़ी से magnetize और demagnetize किया जा सकता है
• जब magnetic field लगती है, तो magnetostrictive element कंपन करता है और उसका आकार बदलता है, और piezoelectric material उस deformation से electricity उत्पन्न करता है
• इन दोनों materials को जोड़ने पर शरीर के बाहर से लगाए गए magnetic field को electric field में बदला जा सकता है

nonlinear signal जिस पर neurons प्रतिक्रिया दे सकें

• मौजूदा magnetoelectric materials में electric field और magnetic field के बीच संबंध linear होता है
• शोधकर्ताओं को ऐसी nonlinear relationship चाहिए थी जो वास्तव में neurons के प्रतिक्रिया देने लायक electrical signal बना सके
• इसके लिए मौजूदा magnetoelectric film के ऊपर निम्न materials की परतें चढ़ाई गईं
  • platinum
  • hafnium oxide
  • zinc oxide
• चुनौती यह थी कि इन materials के बीच compatible fabrication technique खोजी जाए
• Robinson ने कहा कि विशेष गुण देने वाली 200nm से कम पतली layers बनाने में बहुत काम लगा
• Bhave का मानना है कि यह process पूरे device का आकार घटा सकती है और आगे चलकर injectable form तक ले जा सकती है

चूहों की peripheral nerve पर परीक्षण और neuroprosthetics की संभावना

• proof-of-concept experiment में शोधकर्ताओं ने इस material से चूहों की peripheral nerve को stimulate किया
• इसने कटी हुई नस में function restore करने की संभावना दिखाते हुए neuroprosthetics उपयोग का संकेत दिया
• Chen ने समझाया कि यह metamaterial टूटी हुई nerve के gap को पाटने और तेज electrical signaling speed को बहाल करने में उपयोगी हो सकता है
• शोधकर्ताओं का मानना है कि इस material design framework ने neurotechnology की कई समस्याओं को पार करने वाले नए metamaterial design की दिशा दिखाई है
• यही design approach electronics में sensing और memory जैसे अन्य उपयोगों पर भी लागू हो सकती है

research paper और support

• paper का शीर्षक “Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration” है
• यह Nature Materials में प्रकाशित हुआ है और इसका DOI 10.1038/s41563-023-01680-4 है
• शोधपत्र के लेखक Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos, Jacob Robinson हैं
• इस research को National Science Foundation और National Institutes of Health का support मिला

[GN⁺]

Hacker News की राय

• रीढ़ की हड्डी की चोट वाले एक मरीज को जानने के नाते, यह काफी क्रूर लगता है कि ऐसे नवाचार जो बाज़ार में आने में 20 साल लेंगे बार-बार दोहराए जाते रहते हैं

  • लगता है कि जो चीजें शानदार दिखती हैं उन पर बहुत ज़्यादा ध्यान है, और असल में प्रभावित मरीजों की जीवन-गुणवत्ता और नतीजों पर पर्याप्त ध्यान नहीं है
    इसे कैसे ठीक किया जाए, नहीं जानता, लेकिन असाध्य बीमारी के साथ जीने वाले व्यक्ति के तौर पर यह प्रथा जीवन पर सीधे बुरा असर डालती है और बहुत डर पैदा करती है; फिर भी HN पर ऐसी बात कहने पर अक्सर downvote किया जाता है, हमला किया जाता है और बकवास मान लिया जाता है, इसलिए मैंने लगभग हार मान ली है
    आपके परिचित के साथ जो हो रहा है, उसके लिए दुख है
  • मुझे रीढ़ की हड्डी की चोट है, अधिक सटीक रूप से incomplete spinal cord injury; यह बात मानसिक रूप से बहुत भारी थी कि मरने तक हर दिन कल जैसा ही होगा, और एक समय ऐसा भी था जब मैं उसका अंत जल्दी लाना चाहता था
    उम्मीद है सब लोग अपने nervous system का अच्छा ख्याल रखेंगे
  • 20 साल बाद भी अगर संभव हो, तो वह हमेशा के लिए असंभव रहने से कहीं बेहतर है
    ऐसी कई जीवन बदल देने वाली बीमारियां हैं जिनका भविष्य और भी निराशाजनक है, जैसे जिनमें research funding या दिलचस्पी लगभग नहीं है
    फिर भी, अभी पीड़ा झेल रहे लोगों के लिए लंबा इंतज़ार भयावह है, यह सच है

• मैं medical field से नहीं हूं, लेकिन क्या कोई समझा सकता है कि यह असल में कितना बड़ा काम है?
  जानना चाहता हूं कि क्या यह spinal cord repair के स्तर का है, या सिर्फ कटी हुई नस की मरम्मत जैसा कुछ है

  • अभी फैसला करना जल्दबाजी होगी
    यह कम invasive nerve stimulation therapy को संभव बना सकता है, लेकिन असर बेहतर होगा या नहीं, पता नहीं
    क्योंकि सभी neurons फिर से नहीं बढ़ेंगे या अपनी मूल जगह पर वापस नहीं लौटेंगे
  • छोटी-सी nerve injury भी जीवन को बहुत बदल सकती है
    मोटरसाइकिल चलाने वाले मेरे एक दोस्त की दाहिने कंधे की नस guardrail से टकराकर कट गई, और अब उसके हाथ में न तो sensation है, न वह उसे हिला सकता है
    अगर ऐसी चीज ठीक की जा सके, तो प्रभावित लोगों के लिए यह बहुत बड़ी बात होगी
  • लेख के हिसाब से यह शरीर को खुद ठीक होने में मदद करने से ज्यादा, कटे हुए हिस्से को जोड़ने वाले bridge जैसा दिखता है
  • neuropathy बहुत से लोगों को प्रभावित करती है
    उदाहरण के लिए diabetic मरीज भी इसमें आते हैं, और यह technology कई लोगों की जिंदगी बेहतर कर सकती है
  • मैं यह भी जानना चाहता हूं कि इस technology के use cases क्या होंगे और उनका realization timeline क्या होगा

• अगर मैंने सही समझा है, तो यह nerve-to-digital conversion और digital-to-nerve conversion को संभव बनाता लगता है
  अगर ऐसा है, तो इसका मतलब है कि जल्द ही शरीर को robotic body से बदला जा सकेगा
  बाकी समस्या यह है कि दिमाग को किसी tank में जिंदा कैसे रखा जाए, और life-support system को इतना छोटा कैसे बनाया जाए कि वह शरीर के अंदर फिट हो सके
  खून circulate करना, carbon dioxide हटाना, oxygen और glucose देना ही तो है, इसलिए शायद यह इतना मुश्किल नहीं होगा और दिमाग को अनिश्चित काल तक जिंदा रखा जा सकेगा

  • “जल्द ही हम अपने शरीर को robotic body से बदल सकते हैं” कहना जल्दबाजी में निकाला गया निष्कर्ष है
  • यह वैसा ही है जैसे 1970 में कहना, “हमारे पास chess खेलने वाला computer है, इसलिए जल्द ही humans को AI से replace कर सकते हैं”
    “दिमाग को अनिश्चित काल तक जिंदा रखा जा सकता है” और “यह बहुत मुश्किल नहीं है” कहने से पहले यह देखना होगा कि 85 वर्ष से अधिक उम्र की आबादी के एक-तिहाई से आधे लोग Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease और dementia से क्यों गुजरते हैं
    software developers में ऐसी समस्याओं को बहुत सरल और आशावादी तरीके से देखने की प्रवृत्ति होती है, जबकि मानव शरीर उन व्याख्याओं से कहीं अधिक जटिल है
  • अपेक्षाओं का दायरा बहुत छोटा है
    उम्मीद है कि यह कटी हुई nerve injury वाले लोगों की मदद करने, या जिनके अंग नहीं हैं उनके लिए movement और touch sensors वाली बेहतर prosthetic arms/legs बनाने में काम आएगा
    व्यक्तिगत रूप से मुझे human-computer interaction को बेहतर बनाने में भी काफी रुचि है
    संभव हो तो बिना surgery के, या बेहद non-invasive और तेज तरीके से हो तो अच्छा होगा
  • “जल्द ही हम अपने शरीर को robotic body से बदल सकते हैं” जैसी चरम extrapolation पर विश्वास करना मुश्किल है
    खासकर तब, जब हर दूसरे दिन HN पर और Reddit पर सैकड़ों posts आती हैं जो cancer या AIDS का पक्का इलाज बताती हैं
  • “अगर मैंने सही समझा है” से शुरू होने वाली बातों के बाद आम तौर पर ऐसी बातें आती लगती हैं जो दिखाती हैं कि बात सही समझी ही नहीं गई

• इंसानी शरीर को 1,500 डॉलर से कम में 900 km/h की रफ्तार से 25 घंटे में पृथ्वी के दूसरी तरफ पहुंचाया जा सकता है, लेकिन उससे 1,000 गुना खर्च और 1,000 गुना समय लगाने पर भी दिमाग और पैर के बीच की दूरी नहीं जोड़ी जा सकती—यह हमेशा अजीब लगा

  • system administrator को परिचित लगे ऐसी analogy से कहें तो, data center rack तक जाने वाले Ethernet या fiber cable bundles को काट देने की स्थिति सोचिए
    अब हर port को उसी port से फिर जोड़ना होगा जिससे वह मूल रूप से जुड़ा था
    ऊपर से वे cables microscopic size की हैं, बेहद नाजुक हैं, और असल में उन्हें कैसे repair करना है यह भी नहीं मालूम
    असल में बस यही उम्मीद है कि वे अपनी जगह पर फिर से बढ़ जाएं
  • इसमें अजीब क्या है?
    बल्कि यह स्वाभाविक लगता है
    precision हमेशा कठिन रही है
    ज्यादातर लोगों के लिए गेंद को 10 m दूर मारना, 1 m दूर मौजूद 1 mm के बिंदु को ठीक-ठीक मारने से आसान होता है
    रेत के ढेर को 100 m दूर ले जाना, आसपास के कणों को छुए बिना रेत के एक कण को ठीक 1 cm खिसकाने से आसान है
  • दोनों काम पूरी तरह अलग हैं, इसलिए distance के आधार पर तुलना करना अर्थहीन लगता है
  • jet aircraft कैसे काम करता है, इसे जिज्ञासा हो तो अपनी पसंद की गहराई तक समझा जा सकता है
    airplanes इंसानों ने first principles से design किए हैं, और हम अपने inventions को document करने और उनके principles समझने में अच्छे हैं
    लेकिन biological systems से interface करने वाली चीज बनाना बिल्कुल अलग समस्या है
    यह alien technology को reverse-engineer करने जैसा है, और हमें ऐसी बेहद जटिल चीज को पीछे से समझना होता है जिसे हमारी civilization ने design नहीं किया
    यह इतना जटिल है कि दूसरे क्षेत्रों की प्रगति से इसे सार्थक ढंग से टटोलने के tools मिलना भी अपेक्षाकृत हाल की बात है
  • अलग-अलग scientific fields की ऐतिहासिक शुरुआत भी अलग रही है और उनकी विकास-गति भी बहुत असमान है
    हम हमेशा, कम से कम प्राचीन मिस्र के बाद से, physics से ज्यादा mathematics जानते रहे हैं, chemistry से ज्यादा physics जानते रहे हैं, और अपने शरीर से ज्यादा chemistry जानते रहे हैं
    उपलब्ध technology भी इसी अंतर को दर्शाती है

• निकट भविष्य की SF में क्या ऐसी तकनीक का उपयोग करके लैब में उगाई गई नई रीढ़ का प्रत्यारोपण संभव होगा?

  • लैब में कल्चर की गई ऐसी रीढ़ की कल्पना होती है जिसमें nerve signals बिजली की गति से चलते हों
  • SF की बात निकली है, तो ऐसे लोगों के बारे में पढ़ने के बाद जिज्ञासा हुई जो मौजूद ही न होने वाले हाथ-पैर या उंगलियां नियंत्रित करते हैं
    “CTRL-Labs के कुछ लक्ष्य काफी अजीब हैं, जैसे अतिरिक्त उंगली को नियंत्रित करने वाला model train करना”
    https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
    क्या हम nerves को reinforce या cross-connect करके उन चीजों को नियंत्रित करना सीख सकते हैं जिन्हें हम सामान्य रूप से नियंत्रित नहीं कर सकते?
    उदाहरण के लिए, अगर हम चाहें तो hormones release करके adrenaline छोड़ सकें या खुद को शांत कर सकें, तो कैसा होगा?
  • मुझे लगता है कि रीढ़ आम लोगों की समझ से कहीं ज्यादा जटिल होती है
    मैंने जो पढ़ा है उसके मुताबिक, रीढ़ में भी बुनियादी प्रतिक्रिया और सोचने की क्षमता होती है, और यह इंसानों द्वारा बनाई जा सकने वाली चीजों के स्तर से आगे भी हो सकती है

• लकवाग्रस्त मरीजों के लिए यह बड़ी उम्मीद है
  बस आशा है कि यह तकनीक इतनी महंगी न हो जाए कि केवल कुछ करोड़पति ही इसका उपयोग कर सकें

• यूनिवर्सिटी की ओर से सीधे प्रकाशित घोषणाएं, जैसे rice.edu द्वारा किसी बड़े breakthrough की घोषणा वाले लेख, अब मुझे लगभग clickbait जैसे लगने लगे हैं क्योंकि incentives बहुत विकृत हैं
  researchers papers और funding के लिए नतीजों को बढ़ा-चढ़ाकर बताते हैं, और university students और investors को आकर्षित करने के लिए उन नतीजों को फिर से बढ़ा-चढ़ाकर पेश करती है
  सोचता हूं कि क्या दूसरों को भी ऐसा ही लगता है, या मैं ही बहुत cynical हो गया हूं

  • cynicism समझ में आता है
    academic reporting मुश्किल काम है और इसका reward भी कम है
    अगर cynical न होकर देखें, तो researcher के काम का आधा हिस्सा अपने नतीजों को दूसरे researchers और जनता तक पहुंचाना है
    मेरे हिसाब से गुस्सा भड़काने वाली खबरों के broadcast और “mainstream news” homepages पर छाए रहने से बेहतर है कि थोड़ी अतिशयोक्ति के बावजूद उत्साहित university announcements हों
    गंभीर researchers आखिरकार असली peer-reviewed material पर वापस जा सकते हैं
    article में भी link था, और मूल यहां है: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
    PDF यहां है: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
    इस field को किनारे-किनारे से जानने वाले के रूप में, मुझे piezoelectric और magnetostrictive devices तथा nerve stimulation/recording के बारे में थोड़ा पता है, लेकिन मैंने ऐसा magnetostrictive material नहीं देखा जो DC bias बना सके
    इसके अलावा nerve stimulation के लिए device को non-resonant mode में drive करना भी नया लगता है
    1,000 फीट दूर से देखने जैसा स्तर है, लेकिन यह काफी दिलचस्प है, और मुझे लगता है कि यह article अपने hype के लायक सामग्री वाला प्रभावी reporting piece है
  • कहा जाता है कि physics और chemistry के 30% results reproduce नहीं होते, और soft sciences के 70% results reproduce नहीं होते
    sociology के बारे में हम जो काफी कुछ जानते हैं वह fake हो सकता है, और अगर race, sex और gender पर progressive thinking की बड़ी नींव उसी पर टिकी है, तो यह बड़ी समस्या है
    कम से कम यह स्थिति इससे बहुत अलग नहीं लगती
  • यह news cycle comic याद आ गई: https://phdcomics.com/comics/archive.php?comicid=1174

• Neural lace कब तक आएगा?

  • जब सोचता हूं कि brain cells और nerves को हुई accidental damage को सच में ठीक करना कितना कठिन है, और उस damage के परिणाम कितने व्यापक होते हैं, तो मुझे हमेशा हैरानी होती है कि इतने सारे लोग वहां कुछ लगाकर arbitrary code से brain में electrical stimulation भेजवाना चाहते हैं
    इसकी potential बहुत बड़ी और आकर्षक है, यह समझता हूं, लेकिन मैं ऐसे product का early user नहीं बनना चाहूंगा