Raziskovalci so razvili umetni senzorični živčni sistem, ki lahko obdeluje informacije, podobne človeškemu telesu, in bi lahko učinkovito dajal občutek dotika protetičnim okončinam.
Naša koža, največji telesni organ, je tudi najpomembnejša, saj pokriva celotno telo, uravnava telesno temperaturo in nas ščiti pred škodljivimi zunanjimi dejavniki, kot so sonce, nenormalne temperature, mikrobi itd. Naša koža se lahko izjemno raztegne in se lahko popravi. Koža je pomembna tudi zato, ker nam zagotavlja občutek za dotik, prek katerega se lahko odločamo. Koža je za nas zapleten sistem zaznavanja in signalizacije.
V študiji, objavljeni v Znanost, so raziskovalci pod vodstvom profesorja Zhenana Baoa z univerze Stanford in nacionalne univerze v Seulu razvili umetni senzorični živčni sistem, ki bi lahko bil velik korak k ustvarjanju "umetne kože". protetika okončin, ki bi lahko obnovili občutljivost in delovali kot običajna kožna prevleka. Težaven vidik te študije je bil, kako učinkovito posnemati našo kožo, ki ima več edinstvenih lastnosti. Značilnost, ki jo je najtežje posnemati, je način, kako naša koža deluje kot pametna senzorične omrežje, ki najprej prenaša občutke v možgane in tudi narekuje našim mišicam, da se z refleksom odzovejo za hitre odločitve. Na primer, tap povzroči raztezanje komolčnih mišic, senzorji v teh mišicah pa prek nevrona pošiljajo impulz v možgane. Nevron nato pošlje vrsto signalov ustreznim sinapsam. Sinaptično omrežje v našem telesu prepozna vzorec nenadnega raztezanja mišic in pošlje dva signala hkrati. En signal povzroči, da se komolčne mišice krčijo kot refleks, drugi signal pa gre v možgane, da obvesti o tem občutku. Celotno zaporedje dogodkov se zgodi v skoraj delčku sekunde. Posnemanje teh zapletenih bioloških senzoričnih živčnih sistemov, vključno z vsemi funkcionalnimi elementi v omrežju nevronov, še vedno ostaja izziv.
Edinstven senzorični živčni sistem, ki "posnema" resnični
Raziskovalci so ustvarili edinstven senzorični sistem, ki bi lahko ponovil delovanje človeškega živčnega sistema. "Umetno živčno vezje", ki so ga zasnovali raziskovalci, integrira tri komponente v ravno, fleksibilno ploščo, ki meri nekaj centimetrov. Te komponente so bile posamezno opisane prej. Prva komponenta je dotik senzor ki lahko zazna sile in pritisk (tudi mini). Ta senzor (narejen iz organsko polimeri, ogljikove nanocevke in zlate elektrode) pošiljajo signale prek druge komponente, prožnega elektronskega nevrona. Obe komponenti sta izboljšani in izboljšani različici tega, kar so prej razvili isti raziskovalci. Senzorični signali, ki nastanejo in prehajajo skozi ti dve komponenti, se dostavijo tretji komponenti, umetnemu sinaptičnemu tranzistorju, ki je modeliran natanko tako kot človeške sinapse v možganih. Vse te tri komponente morajo delovati kohezivno in prikaz končne funkcije je bil najzahtevnejši vidik. Prave biološke sinapse prenašajo signale in shranjujejo informacije, ki so potrebne za sprejemanje odločitev. Ta sinaptični tranzistor "izvaja" te funkcije tako, da dovaja elektronske signale sinaptičnemu tranzistorju z uporabo umetnega živčnega vezja. Zato se ta umetni sistem nauči prepoznati in reagirati na senzorične vnose na podlagi intenzivnosti in frekvence signalov nizke moči, tako kot bi to storila biološka sinapsa v živem telesu. Novost te študije je, kako so bile te tri posamezne komponente, ki so bile znane prej, prvič uspešno integrirane, da bi zagotovile koheziven sistem.
Raziskovalci so preizkusili sposobnost tega sistema za ustvarjanje refleksov in tudi zaznavanje dotika. V enem poskusu so svoj umetni živec pritrdili na nogo ščurka in na njihov senzor na dotik izvedli majhen pritisk. Elektronski nevron je signal senzorja pretvoril v digitalne signale in jih posredoval skozi sinaptični tranzistor. To je povzročilo, da se je ščurkova noga trznila zaradi povečanja ali zmanjšanja tlaka v senzorju dotika. Torej, ta umetna postavitev je zagotovo aktivirala refleks trzanja. V drugem poskusu so raziskovalci pokazali sposobnost umetnega živca pri zaznavanju različnih občutkov dotika, tako da so lahko razlikovali Braillove črke. V drugem testu so valjali cilinder čez senzor v različnih smereh in lahko natančno zaznali natančno smer gibanja. Tako lahko ta naprava izboljša prepoznavanje predmetov in fino obdelavo taktilnih informacij, kot je prepoznavanje teksture, branje brajice in razlikovanje robov predmetov.
Prihodnost umetnega senzoričnega živčnega sistema
Ta tehnologija umetnih živcev je v zelo zgodnji fazi in še ni dosegla zahtevane kompleksnosti, vendar je dala ogromno upanja za ustvarjanje umetnih kožnih prevlek. Jasno je, da bi takšne »pokrive« zahtevale tudi naprave za zaznavanje toplote, vibracij, tlaka in drugih sil in občutkov. Imeti morajo dobro sposobnost, da se vgradijo v fleksibilna vezja, da se lahko učinkovito povežejo z možgani. Za posnemanje naše kože mora naprava imeti več integracije in funkcionalnosti, zaradi česar bo bolj stabilna in zanesljiva.
Ta tehnologija umetnega živca bi lahko bila korist za protetiko in obnovitev občutkov pri amputirancih. Protetične naprave so se skozi leto precej izboljšale z več na voljo tehnologije 3D tiskanja in bolj odzivnimi robotskimi sistemi. Kljub tem nadgradnjam je treba večino protetičnih pripomočkov, ki so na voljo danes, nadzorovati na zelo grob način, saj ne zagotavljajo dobrega zadovoljivega vmesnika z možgani zaradi pomanjkanja vključevanja zapletenosti velikega človeškega živčnega sistema. Naprava ne daje povratne informacije in zato se pacient počuti zelo nezadovoljnega in jih prej ali slej zavrže. Takšna tehnologija umetnega živca, ko bo uspešno vključena v protetiko, bo uporabnikom zagotovila informacije na dotik in bo pacientom pomagala zagotoviti boljšo izkušnjo. Ta naprava je velik korak k izdelavi koži podobnih senzoričnih nevronskih mrež za različne aplikacije z zagotavljanjem moči refleksa in čuta za dotik.
***
{Izvirno raziskovalno nalogo lahko preberete s klikom na spodnjo povezavo DOI na seznamu citiranih virov}
Vir (i)
Yeongin K et al. 2018. Bioinspiriran fleksibilen organski umetni aferentni živec. Znanost. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
