ด้ายทอจากท่อนาโนคาร์บอนสามารถตรวจการทำงานของสมองในการควบคุมการทำหน้าที่ของอวัยวะในหนู เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่จะปูทางไปสู่การวินิจฉัยและรักษาโรคในระดับเส้นประสาทได้
    ยาที่รับประทานหรือฉีดเข้าร่างกายสามารถเล็งเป้าไปที่โมเลกุลเจาะจงเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการของโรคได้ แต่อาจกระจายไปทั่วร่างกายและเป็นสาเหตุให้เกิดผลข้างเคียงที่ไม่พึงปรารถนาได้  ในขณะเดียวกันวิธีการที่เรียกว่า ไฟฟ้าเภสัชภัณฑ์ (electroceuticals) มีจุดมุ่งหมายที่จะหลีกเลี่ยงไม่ให้ร่างกายทั้งระบบสัมผัสกับยา โดยใช้ลวดขนาดเล็กส่งกระแสไฟฟ้าตรวจสอบและกระตุ้นเส้นประสาทแต่ละเส้นที่ควบคุมการทำงานของอวัยวะและนำส่งข่าวสารเกี่ยวกับโรค
    แม้จะมีความคาดหวังต่อไฟฟ้าเภสัชภัณฑ์ แต่มีปัญหาที่ท้าทายต่อการพัฒนาการรักษาที่ใช้เวลาในระยะยาว เนื่องจากไม่มีเส้นลวดที่เข้ากับชีวภาพได้   ขณะนี้งานวิจัยที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก The National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) สหรัฐอเมริกา ได้ถักทอท่อนาโนคาร์บอนให้เป็นเส้นลวดหรือด้ายขนาดเท่าเส้นประสาทที่สามารถยืดหยุ่นได้ มีความสามารถในการเชื่อมต่อในสัตว์มีชีวิตได้เป็นเวลายาวนานอย่างแนบเนียน
การพัฒนาเส้นด้ายที่เข้ากับชีวภาพได้จะเปิดโอกาสที่เป็นไปได้ในการวินิจฉัยและการบำบัดรักษาแบบใหม่ด้วยชีวภาพไฟฟ้า ผ่านการกำกับการทำหน้าที่ของอวัยวะภายใน ณ ระดับเส้นประสาท (single nerve level)

ด้ายจากท่อนาโนคาร์บอนถูกฝังเข้าไปในเส้นประสาทเวกัสของหนู  ภาพโดย McCallum และคณะ, Sci. Rep. 20171

     ทุกอวัยวะของร่างกาย เช่น หัวใจ ปอด ตับ และไต ถูกควบคุมจากเส้นประสาทโดยอัตโนมัติ เส้นประสาทเหล่านี้ยื่นออกจากแกนสมองไปยังแต่ละอวัยวะ  เส้นประสาทจะควบคุมการทำงานของอวัยวะ เช่น การเต้นของหัวใจ อัตราการหายใจ และความดันโลหิต ทำให้เกิดการปรับตัวตอบสนองการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมและสรีวิทยาอย่างสม่ำเสมอ  การเบี่ยงเบนในปฏิกิริยาทางไฟฟ้าในพื้นที่ส่วนนี้ของสมอง ซึ่งเรียกว่า ระบบประสาทอัตโนมัติ ยังเป็นตัวพยากรณ์หรือดัชนีหรือสาเหตุของการเกิดโรคได้
    “การตรวจสอบและจัดการกับระบบประสาทอัตโนมัติเพื่อนำไปสู่ความเข้าใจและโอกาสในการรักษาโรคเป็นวิธีทางการแพทย์ที่น่าสนใจมากแต่ยังอยู่ในระหว่างการศึกษา” Dr.Michael Wolfson ผู้อำนวยการโครงการ Rehabilitation Engineering and Implantable Medical Devices ของ NIBIB กล่าวและว่า
    “ส่วนใหญ่เป็นเพราะข้อจำกัดทางเทคนิคในการสอดเส้นลวดเข้าไปในเส้นประสาทและสามารถบันทึกปฏิกิริยาทางไฟฟ้าได้อย่างน่าเชื่อถือและปลอดภัยในระยะเวลายาวนาน และภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยาที่แตกต่างกัน”
ในรายงานการศึกษาที่เผยแพร่ในวารสาร Scientific Reports วิศวกรพันธุศาสตร์ที่ Case Western Reserve University ในคลิฟแลนด์ โอไฮโอ อธิบายถึงการพัฒนาขั้วของด้ายซึ่งทอมาจากท่อนาโนคาร์บอนที่มีความยืดหยุ่นสูง (carbon nanotube: CNT) เป็นขั้วที่สามารถทำบันทึกทางไฟฟ้าได้นานเป็นเดือน ๆ ในเส้นประสาทหลักของระบบประสาทอัตโนมัติของหนู

ท่อนาโนคาร์บอนแต่ละท่อถูกดึงจากซับสเตรทและทอเป็นด้ายคาร์บอนนาโนทูบที่สามารถยืดหยุ่นได้   ภาพโดย McCallum และคณะ, Sci. Rep. 2017

    ด้าย CNT เป็นด้ายสำคัญที่ทำจากกลุ่มมัดของท่อนาโนคาร์บอนเป็นร้อย ๆ ท่อ ซึ่งถูกดึงจากผิวของโลหะที่มันโตขึ้นมาและปั่นให้เป็นเส้นลวดที่นำไฟฟ้าสูงและยืดหยุ่นสูงขนาด 1/100 ของเส้นผมมนุษย์
    เทคโนโลยีปัจจุบันสำหรับบันทึกสัญญาณไฟฟ้าจากเส้นประสาท ประกอบด้วย เข็มโลหะทังสเตนแข็งขนาดค่อนข้างใหญ่ ซึ่งนักประสาทวิทยาใช้รับค่าที่อ่านได้จากบรรดาเส้นประสาทเดี่ยวของผู้ป่วยเป็นเวลาหลายชั่วโมง แต่จะต้องนำออกไปก่อนที่จะทำให้เกิดความเสียหายต่อเส้นประสาทเป็นเวลานาน  เทคโนโลยีขั้วเส้นลวดอื่น ๆ สามารถบันทึกสัญญาณทางประสาทได้ในระยะสั้น แต่เนื่องจากมิติและคุณสมบัติทางกลไกที่แข็ง จึงไม่เหมาะกับการบันทึกในเส้นประสาทขนาดเล็กเป็นเวลานาน
    “เทคโนโลยีขั้วไฟฟ้าที่มีอยู่ในปัจจุบันเข้ากันไม่ได้กับคุณสมบัติทางกลไกของเส้นประสาท” Dr.Dominique Durand ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมชีวการแพทย์ที่ Case Western และนักวิจัยอาวุโสเกี่ยวกับการทำงานของด้าย CNT กล่าวและว่า
    “ด้วยชนิดขั้วไฟฟ้าดังกล่าว จึงเหมือนกับเอาแก้วสอดเข้าไปในสปาเก็ตตี้  ส่วนด้าย CNT มีขนาดเดียวกันและมีความยืดหยุ่นเหมือนเส้นประสาทจริง  คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้สอดด้ายซ่อนเข้าไปในเส้นประสาทได้และอยู่ในเส้นประสาทได้เป็นเวลาหลายเดือน โดยไม่ทำลายเนื้อเยื่อหรือกระตุ้นการโจมตีจากระบบภูมิคุ้มกัน”

ด้ายคาร์บอนนาโนทูบถูกพันรอบเข็มโลหะทังสเตนสำหรับสอดเข้าไปในเส้นประสาท ขดของด้ายทำให้มันฝังอยู่ในเส้นประสาทอย่างมั่นคงหลังจากดึงเข็มออกมา   แผนภาพนี้แสดงให้เห็นรายละเอียดของวิธีพันด้ายรอบเข็มเพื่อการสอด (ด้านล่าง)  ภาพโดย McCallum และคณะ, Sci. Rep. 2017

    การรวมความสามารถในการเข้ากันได้ทางชีวภาพกับความสามารถที่โดดเด่นในการนำสัญญาณไฟฟ้าของด้าย CNT ซึ่งมีความแรงมากกว่าเทคโนโลยีปัจจุบันถึง 10 เท่า ทำให้เป็นด้ายในอุดมคติสำหรับบันทึกสัญญาณประสาทจำเพาะในระยะยาว  สุดท้ายการที่ไม่เกิดความเสียหายต่อเส้นประสาทช่วยรักษาให้ใยประสาทแอกซอนอยู่ในสภาพดี ซึ่งช่วยกำจัดการรบกวนที่เป็นแบคกรานได้  ดังนั้น ด้าย CNT จึงมีอัตราส่วนสัญญาณต่อการรบกวนในอัตราที่ดีมาก ๆ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการวิจัยแบบนี้
    คณะทำงานได้ทดสอบด้าย CNT กับเส้นประสาทสำคัญ 2 เส้น ในระบบประสาทอัตโนมัติของหนู  การศึกษาชิ้นหนึ่งที่ทำกับเส้นประสาทเวกัส ซึ่งยื่นออกไปทั่วร่างกายเพื่อต่อเชื่อมกับอวัยวะมากมาย  เส้นประสาทนี้ทำหน้าที่ควบคุมและตรวจสอบการทำงานมากมาย รวมทั้งการเต้นของหัวใจ การเคลื่อนไหวของทางเดินอาหาร  การมีเหงื่อออก และการตอบสนองของภูมิคุ้มกัน
    มีการสอดขั้วของด้าย CNT เข้าไปในเส้นประสาทลิ้นคอหอย (glossopharyngeal nerve)  เส้นประสาทนี้เชื่อมต่อกับอวัยวะหลายอวัยวะ ได้แก่ หลอดเลือดแดงของคอและศีรษะ (carotid artery) และส่วนต่าง ๆ ของหู ลิ้น และต่อมน้ำลาย ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกลืน
    ในเส้นประสาทสมองทั้ง 2 จะมีการบันทึกปฏิกิริยาไฟฟ้าที่สม่ำเสมอเป็นเวลาต่อเนื่อง 10 สัปดาห์  และยังมีการตรวจสอบจังหวะของปฏิกิริยาในเส้นประสาทในขณะที่สัตว์ตอบสนองต่อปัญหาทางสรีรวิทยา  ปัญหาเหล่านี้ ได้แก่ การอืดของกระเพาะอาหารที่มีน้ำเกลือ และช่วงเวลาสั้น ๆ ที่หนูอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนต่ำ  ในแต่ละกรณี การเปลี่ยนแปลงทางสรีรวิทยาที่มาจากปัญหานั้น ๆ ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาทางไฟฟ้าซึ่งสามารถตรวจหาได้ง่าย ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าจะถูกบันทึกด้วยการใช้ด้าย CNT ที่ฝังไว้ตลอด 10 สัปดาห์ของการทดลอง
    “แม้จะเป็นการวิจัยในขั้นแรก ๆ เราเชื่อว่า ผลการศึกษาแสดงว่าสามารถใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อตรวจสอบการทำหน้าที่ทางสรีรวิทยาด้วยการตรวจทางไฟฟ้าในระยะยาวที่เชื่อถือได้” Dr.Durand กล่าวและว่า “นี่เป็นก้าวสำคัญในการตรวจติดตามความคืบหน้าของโรคผ่านเส้นประสาทที่ควบคุมการทำหน้าที่ของอวัยวะที่เกิดโรค”
    Dr.Durand อธิบายว่า เป้าหมายของการวิจัย คือ เรียนรู้ว่าสัญญาณหรือลักษณะทางไฟฟ้าอะไรที่แสดงให้เห็นการพัฒนาของโรคและเพื่อใช้สัญญาณนี้สำหรับการรักษาแต่เริ่มแรก อาจจะโดยการกระตุ้นไฟฟ้าหรือแม้แต่การปิดกั้นเส้นประสาท