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 žurnālā Science , pētnieki profesora Dženana Bao vadībā no Stenfordas universitātes un Seulas Nacionālās universitātes ir izstrādājuši mākslīgu sensoru nervu sistēmu, kas varētu būt liels solis ceļā uz "mākslīgās ādas" izveidi protēzēm , kas varētu atjaunot sajūtas un darboties kā normāla ādas apvalka daļa. Šī pētījuma sarežģītākais aspekts bija tas, kā efektīvi atdarināt mūsu ādu, kurai piemīt vairākas unikālas īpašības. Visgrūtāk atdarināmā iezīme ir veids, kā mūsu āda darbojas kā vieds sensoru tīkls, kas vispirms pārraida sajūtas uz smadzenēm un arī refleksīvi liek mūsu muskuļiem reaģēt, lai ātri pieņemtu lēmumus. Piemēram, pieskāriens izraisa elkoņa muskuļu stiepšanos, un sensori šajos muskuļos caur neironu nosūta impulsu uz smadzenēm. Pēc tam neirons nosūta virkni signālu uz attiecīgajām sinapsēm. Sinaptiskais tīkls mūsu ķermenī atpazīst pēkšņas muskuļu stiepšanās modeli un vienlaikus nosūta divus signālus. Viens signāls izraisa elkoņa muskuļu saraušanos kā refleksu, bet otrais signāls nonāk smadzenēs, lai informētu par šo sajūtu. Visa šī notikumu secība notiek gandrīz sekundes daļā. Šīs sarežģītās bioloģiskās sensoru nervu sistēmas, tostarp visu neironu tīkla funkcionālo elementu, atdarināšana joprojām ir izaicinājums.
Unikāla maņu nervu sistēma, kas “atdarina” īsto
Pētnieki ir izveidojuši unikālu sensoru sistēmu, kas varētu atkārtot cilvēka nervu sistēmas darbību. Pētnieku izstrādātā "mākslīgā nervu ķēde" apvieno trīs komponentus plakanā, elastīgā loksnē, kuras izmērs ir daži centimetri. Šie komponenti ir atsevišķi aprakstīti iepriekš. Pirmais komponents ir skāriensensors , kas var noteikt spēkus un spiedienu (pat miniatūrus). Šis sensors (izgatavots no organiskiem polimēriem, oglekļa nanocaurulītēm un zelta elektrodiem) sūta signālus caur otro komponentu - elastīgu elektronisko neironu. Abi šie komponenti ir uzlabotas un uzlabotas versijas tam, ko iepriekš izstrādāja tie paši pētnieki. Sensoriskie signāli, kas ģenerēti un nodoti caur šiem diviem komponentiem, tiek nogādāti uz trešo komponentu - mākslīgu sinaptisku tranzistoru, kas ir modelēts tieši tāpat kā cilvēka sinapses smadzenēs. Visiem šiem trim komponentiem ir jādarbojas saskaņoti, un to galīgās funkcijas demonstrēšana bija visizaicinošākais aspekts. Reālas bioloģiskās sinapses pārraida signālus un uzglabā informāciju, kas nepieciešama lēmumu pieņemšanai. Šis sinaptiskais tranzistors "veic" šīs funkcijas, piegādājot elektroniskos signālus sinaptiskajam tranzistoram, izmantojot mākslīgo nervu ķēdi. Tādēļ šī mākslīgā sistēma iemācās atpazīt un reaģēt uz sensoriem, pamatojoties uz zemas jaudas signālu intensitāti un frekvenci, tieši tāpat kā bioloģiskā sinapse rīkotos dzīvā ķermenī. Šī pētījuma jaunums ir tas, kā šīs trīs iepriekš zināmās atsevišķās sastāvdaļas pirmo reizi tika veiksmīgi integrētas, lai izveidotu saliedētu sistēmu.
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.
***
Avots (-i)
Jongins K. et al. 2018. Bioloģiski iedvesmots, elastīgs organisks mākslīgs aferents nervs. Zinātne . https://doi.org/10.1126/science.aao0098
***
