Pētnieki ir izstrādājuši mākslīgu sensoro nervu sistēmu, kas spēj apstrādāt informāciju, kas ir līdzīga cilvēka ķermenim, un tā var efektīvi sniegt taustes sajūtu protezētajām ekstremitātēm.
Mūsu āda, lielākais ķermeņa orgāns, ir arī vissvarīgākais, jo tas aptver visu mūsu ķermeni, kontrolē mūsu ķermeņa temperatūru un aizsargā mūs no kaitīgiem ārējiem faktoriem, piemēram, saules, neparastas temperatūras, mikrobiem utt. Mūsu āda var ievērojami izstiepties un pati sevi atjaunot. Āda ir svarīga arī tāpēc, ka tā sniedz mums taustes sajūtu, ar kuras palīdzību mēs varam pieņemt lēmumus. Āda mums ir sarežģīta sensoru un signālu sistēma.
Pētījumā, kas publicēts Zinātne, pētnieki profesora Dženana Bao vadībā no Stenfordas universitātes un Seulas Nacionālās universitātes ir izstrādājuši mākslīgs maņu nervu sistēma, kas varētu būt liels solis ceļā uz “mākslīgās ādas” izveidi protezēšana ekstremitātēm, kas varētu atjaunot sajūtu un darboties kā normāls ādas apvalks. Šī pētījuma izaicinošais aspekts bija tas, kā efektīvi atdarināt mūsu ādu, kurai piemīt vairākas unikālas īpašības. Īpašība, kuru ir visgrūtāk atdarināt, ir veids, kādā mūsu āda darbojas kā gudra maņu tīkls, kas vispirms pārraida sajūtas uz smadzenēm un arī liek mūsu muskuļiem reaģēt ar refleksu, lai pieņemtu ātrus lēmumus. Piemēram, pieskāriens liek elkoņa muskuļiem izstiepties, un šajos muskuļos esošie sensori nosūta impulsu smadzenēm caur neironu. Pēc tam neirons nosūta virkni signālu uz attiecīgajām sinapsēm. Mūsu ķermeņa sinaptiskais tīkls atpazīst pēkšņas muskuļu stiepšanās modeli un vienlaikus izsūta divus signālus. Viens signāls liek elkoņa muskuļiem sarauties kā reflekss, bet otrs signāls nonāk smadzenēs, lai informētu par šo sajūtu. Visa šī notikumu secība notiek gandrīz sekundes daļā. Atdarināt šo sarežģīto bioloģisko sensoro nervu sistēmu, tostarp visus funkcionālos elementus neironu tīklā, joprojām ir grūti.
Unikāla maņu nervu sistēma, kas “atdarina” īsto
Pētnieki ir izveidojuši unikālu sensoro sistēmu, kas varētu atkārtot cilvēka nervu sistēmas darbību. Pētnieku izstrādātā "mākslīgā nervu ķēde" integrē trīs sastāvdaļas plakanā, elastīgā loksnē, kuras izmērs ir daži centimetri. Šīs sastāvdaļas ir aprakstītas atsevišķi iepriekš. Pirmā sastāvdaļa ir pieskāriens devējs which can detect forces and pressure (even mini ones). This sensor (made of bioloģisks polymers, carbon nanotubes and gold electrodes) send signals through a second component, a flexible electronic neuron. Both these components are enhanced and improved versions of what was developed by same researchers before. Sensory signals generated and passed through these two components are delivered to a third component, an artificial synaptic transistor which is modelled exactly like human synapses in the brain. All these three components have to work cohesively and demonstrating the end function was the most challenging aspect. Real biological synapses relay signals and store information which is required to take decisions. This synaptic transistor “performs” these functions by delivering electronic signals to the synaptic transistor by using the artificial nerve circuit. Therefore, this artificial system learns to recognize and react to sensory inputs based upon the intensity and frequency of low-power signals, just how a biological synapse would do in a living body. The novelty of this study is how these three individual components that are known previously were integrated successfully for the first time to deliver a cohesive system.
Pētnieki pārbaudīja šīs sistēmas spēju radīt refleksus un arī sajust pieskārienu. Kādā eksperimentā viņi piestiprināja savu mākslīgo nervu prusaka kājai un izdarīja nelielu spiedienu uz pieskāriena sensoru. Elektroniskais neirons pārveidoja sensora signālu ciparu signālos un nodeva tos caur sinaptisko tranzistoru. Tas izraisīja prusaka kājas raustīšanu, pamatojoties uz spiediena palielināšanos vai samazināšanos pieskāriena sensorā. Tātad šis mākslīgais uzstādījums noteikti aktivizēja raustīšanās refleksu. Otrajā eksperimentā pētnieki parādīja mākslīgā nerva spēju noteikt dažādas pieskāriena sajūtas, spējot atšķirt Braila burtus. Citā testā viņi ripināja cilindru virs sensora dažādos virzienos un spēja precīzi noteikt precīzu kustības virzienu. Tādējādi šī ierīce spēj uzlabot objektu atpazīšanu un smalku taustes informācijas apstrādi, piemēram, tekstūras atpazīšanu, Braila raksta lasīšanu un objektu malu atšķiršanu.
Mākslīgās maņu nervu sistēmas nākotne
Šī mākslīgā nervu tehnoloģija ir ļoti agrīnā stadijā un nav sasniegusi nepieciešamo sarežģītības līmeni, taču ir devusi milzīgas cerības mākslīgo ādas segumu radīšanai. Skaidrs, ka šādiem “pārsegumiem” būtu nepieciešamas arī ierīces siltuma, vibrācijas, spiediena un citu spēku un sajūtu noteikšanai. Viņiem ir jābūt labi iestrādātiem elastīgās ķēdēs, lai tie varētu efektīvi saskarties ar smadzenēm. Lai atdarinātu mūsu ādu, ierīcei ir jābūt lielākai integrācijai un funkcionalitātei, kas padara to stabilāku un uzticamāku.
Šī mākslīgā nervu tehnoloģija varētu būt par labu protezēšanai un atjaunotu sajūtas amputētiem pacientiem. Protēžu ierīces gada laikā ir daudz uzlabojušās, jo ir pieejamas vairāk 3D drukas tehnoloģijas un atsaucīgākas robotikas sistēmas. Neskatoties uz šiem jauninājumiem, lielākā daļa mūsdienās pieejamo protezēšanas ierīču ir jākontrolē ļoti aptuvenā veidā, jo tās nenodrošina labu un apmierinošu saskarni ar smadzenēm, jo tajās nav iekļautas plašās cilvēka nervu sistēmas sarežģītības. Ierīce nedod atgriezenisko saiti, un tādējādi pacients jūtas ļoti neapmierināts un agri vai vēlu tās izmet. Šāda mākslīgā nervu tehnoloģija, veiksmīgi iekļaujoties protezēšanā, sniegs lietotājiem pieskārienu informāciju un palīdzēs nodrošināt pacientiem labāku pieredzi. Šī ierīce ir liels solis ceļā uz ādai līdzīgu sensoro neironu tīklu izveidi dažādām lietojumprogrammām, piešķirot refleksu un pieskāriena sajūtu.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
Yeongin K et al. 2018. Bioiedvesmots elastīgs organisks mākslīgais aferents nervs. Zinātne. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
