Cercetătorii au dezvoltat un sistem nervos senzorial artificial care poate procesa informații similare cu corpul uman și ar putea oferi în mod eficient simțul tactil membrelor protetice.
Pielea noastră, cel mai mare organ al corpului, este, de asemenea, cel mai important, deoarece ne acoperă întregul corp, ne controlează temperatura corpului și ne protejează de factorii externi nocivi, cum ar fi soarele, temperaturile anormale, microbii etc. Pielea noastră se poate întinde remarcabil și se poate repara singură. Pielea este, de asemenea, importantă pentru că ne oferă un simț al atingerii prin care suntem capabili să luăm decizii. Pielea este un sistem complex de detectare și semnalizare pentru noi.
Intr-un studiu publicat in Ştiinţă, cercetătorii conduși de prof. Zhenan Bao de la Universitatea Stanford și Universitatea Națională din Seul au dezvoltat un artificial sistemul nervos senzitiv care ar putea fi un pas mare spre crearea „pielei artificiale” pentru protezare membre care ar putea restabili senzația și acționează ca o acoperire normală a pielii. Aspectul provocator al acestui studiu a fost cum să imitem eficient pielea noastră, care posedă câteva proprietăți unice. Caracteristica care este cel mai greu de imitat este modul în care pielea noastră acționează ca un inteligent senzorial rețea care transmite în primul rând senzații către creier și, de asemenea, ordonă mușchilor noștri să reacționeze printr-un reflex pentru a lua decizii prompte. De exemplu, o atingere provoacă întinderea mușchilor cotului, iar senzorii din acești mușchi trimit impuls către creier printr-un neuron. Neuronul trimite apoi o serie de semnale către sinapsele relevante. Rețeaua sinaptică din corpul nostru recunoaște modelul de întindere bruscă a mușchilor și trimite două semnale simultan. Un semnal face ca mușchii cotului să se contracte ca reflex, iar al doilea semnal ajunge la creier pentru a informa despre această senzație. Toată această secvență de evenimente se întâmplă în aproape o fracțiune de secundă. Mimarea acestor sisteme nervoase senzitive biologice complicate, inclusiv toate elementele funcționale din rețeaua de neuroni, rămâne încă o provocare.
Sistem nervos senzorial unic care „imită” realul
Cercetătorii au creat un sistem senzorial unic niciodată, care ar putea reproduce modul în care funcționează sistemul nervos uman. „Circuitul nervos artificial” conceput de cercetători integrează trei componente într-o foaie plată, flexibilă, care măsoară câțiva centimetri. Aceste componente au fost descrise individual anterior. Prima componentă este o atingere senzor care poate detecta forțe și presiune (chiar și mini). Acest senzor (facut din organic polimeri, nanotuburi de carbon și electrozi de aur) trimit semnale printr-o a doua componentă, un neuron electronic flexibil. Ambele componente sunt versiuni îmbunătățite și îmbunătățite a ceea ce a fost dezvoltat de aceiași cercetători înainte. Semnalele senzoriale generate și trecute prin aceste două componente sunt livrate către o a treia componentă, un tranzistor sinaptic artificial care este modelat exact ca sinapsele umane din creier. Toate aceste trei componente trebuie să funcționeze în mod coeziv, iar demonstrarea funcției finale a fost aspectul cel mai provocator. Sinapsele biologice reale transmit semnale și stochează informații care sunt necesare pentru a lua decizii. Acest tranzistor sinaptic „îndeplinește” aceste funcții prin furnizarea de semnale electronice la tranzistorul sinaptic prin utilizarea circuitului nervos artificial. Prin urmare, acest sistem artificial învață să recunoască și să reacționeze la intrările senzoriale pe baza intensității și frecvenței semnalelor de putere redusă, exact cum s-ar comporta o sinapsă biologică într-un corp viu. Noutatea acestui studiu este modul în care aceste trei componente individuale care sunt cunoscute anterior au fost integrate cu succes pentru prima dată pentru a oferi un sistem coeziv.
Cercetătorii au testat capacitatea acestui sistem de a genera reflexe și, de asemenea, simțirea atingerii. Într-un experiment, ei și-au atașat nervul artificial de un picior de gândac și au aplicat o mică presiune pe senzorul lor tactil. Neuronul electronic a convertit semnalul senzorului în semnale digitale și le-a trecut prin tranzistorul sinaptic. Acest lucru a făcut ca piciorul gândacului să se zvâcnească în funcție de creșterea sau scăderea presiunii senzorului tactil. Așadar, această configurație artificială a activat cu siguranță reflexul de contracție. Într-un al doilea experiment, cercetătorii au demonstrat capacitatea nervului artificial de a detecta diferite senzații de atingere, fiind capabili să diferențieze literele Braille. Într-un alt test, au rostogolit un cilindru peste senzor în direcții diferite și au putut detecta cu exactitate direcția exactă a mișcării. Astfel, acest dispozitiv este capabil să îmbunătățească recunoașterea obiectelor și procesarea fină a informațiilor tactile, cum ar fi recunoașterea texturii, citirea braille și distincția marginilor obiectelor.
Viitorul sistemului nervos senzitiv artificial
Această tehnologie a nervilor artificiali este într-un stadiu foarte incipient și nu a atins nivelul de complexitate necesar, dar a dat speranțe imense pentru crearea de acoperiri artificiale pentru piele. Este clar că astfel de „acoperiri” ar necesita, de asemenea, dispozitive pentru a detecta căldura, vibrațiile, presiunea și alte forțe și senzații. Ei trebuie să aibă o capacitate bună de a se încorpora în circuite flexibile, astfel încât să poată interacționa eficient cu creierul. Pentru a imita pielea noastră, dispozitivul trebuie să aibă mai multă integrare și funcționalitate, ceea ce îl va face mai stabil și mai fiabil.
Această tehnologie a nervilor artificiali ar putea fi un avantaj pentru proteze și poate restabili senzațiile la persoanele amputate. Dispozitivele protetice s-au îmbunătățit mult de-a lungul anului, cu mai multă tehnologie de imprimare 3D disponibilă și sisteme robotice mai receptive. În ciuda acestor îmbunătățiri, majoritatea dispozitivelor protetice disponibile astăzi trebuie controlate într-un mod foarte dur, deoarece nu oferă o interfață bună satisfăcătoare cu creierul din cauza lipsei de încorporare a complexităților vastului sistem nervos uman. Aparatul nu oferă feedback și astfel pacientul se simte foarte nemulțumit și le aruncă mai devreme sau mai târziu. O astfel de tehnologie a nervilor artificiali, atunci când este încorporată cu succes în proteze, va oferi utilizatorilor informații de atingere și va ajuta să ofere pacienților o experiență mai bună. Acest dispozitiv este un pas mare către realizarea de rețele neuronale senzoriale asemănătoare pielii pentru diverse aplicații, prin acordarea de puteri de reflex și simțul tactil.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
Yeongin K și colab. 2018. Un nerv aferent artificial organic flexibil bioinspirat. Ştiinţă. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
