Istraživači su razvili umjetni senzorni živčani sustav koji može obraditi informacije slične ljudskom tijelu i može učinkovito dati osjećaj dodira protetskim udovima
Naša koža, najveći tjelesni organ, također je najvažniji jer prekriva cijelo naše tijelo, kontrolira našu tjelesnu temperaturu i štiti nas od štetnih vanjskih čimbenika poput sunca, abnormalnih temperatura, klica itd. Naša koža se može izvanredno rastegnuti i može se popraviti. Koža je također važna jer nam pruža osjećaj dodira putem kojeg možemo donositi odluke. Koža je za nas složen senzorski i signalni sustav.
U studiji objavljenoj u Znanost, istraživači predvođeni profesorom Zhenan Baoom sa Sveučilišta Stanford i Nacionalnog sveučilišta u Seulu razvili su vještački senzornog živčanog sustava koji bi mogao biti veliki korak prema stvaranju “umjetne kože” za protetika udove koji bi mogli vratiti osjet i djelovati kao normalna kožna obloga. Izazovni aspekt ove studije bio je kako učinkovito oponašati našu kožu koja posjeduje nekoliko jedinstvenih svojstava. Značajka koju je najteže oponašati je način na koji se naša koža ponaša kao pametna čulni mreža koja najprije prenosi osjete u mozak i također naređuje našim mišićima da reagiraju putem refleksa kako bi brzo donijeli odluke. Na primjer, tap uzrokuje istezanje mišića lakta, a senzori u tim mišićima šalju impuls u mozak kroz neuron. Neuron zatim šalje niz signala relevantnim sinapsama. Sinaptička mreža u našem tijelu prepoznaje uzorak iznenadnog istezanja mišića i šalje dva signala istovremeno. Jedan signal uzrokuje kontrakciju mišića lakta kao refleks, a drugi signal ide u mozak kako bi obavijestio o ovom osjećaju. Cijeli ovaj slijed događaja događa se u gotovo djeliću sekunde. Oponašanje ovog kompliciranog biološkog senzornog živčanog sustava uključujući sve funkcionalne elemente u mreži neurona i dalje ostaje izazov.
Jedinstveni senzorni živčani sustav koji "imitira" stvarni
Istraživači su stvorili jedinstveni senzorni sustav koji bi mogao replicirati kako funkcionira ljudski živčani sustav. "Krug umjetnog živca" koji su dizajnirali istraživači integrira tri komponente u ravnu, fleksibilnu ploču veličine nekoliko centimetara. Ove komponente su prethodno opisane pojedinačno. Prva komponenta je dodir senzor koji mogu otkriti sile i pritisak (čak i mini). Ovaj senzor (napravljen od organski polimeri, ugljikove nanocijevi i zlatne elektrode) šalju signale kroz drugu komponentu, fleksibilni elektronički neuron. Obje ove komponente su poboljšane i poboljšane verzije onoga što su prije razvili isti istraživači. Senzorni signali koji se generiraju i prolaze kroz ove dvije komponente dostavljaju se trećoj komponenti, umjetnom sinaptičkom tranzistoru koji je modeliran točno poput ljudskih sinapsi u mozgu. Sve ove tri komponente moraju raditi kohezivno, a demonstracija krajnje funkcije bila je najzahtjevniji aspekt. Prave biološke sinapse prenose signale i pohranjuju informacije koje su potrebne za donošenje odluka. Ovaj sinaptički tranzistor "obavlja" ove funkcije isporukom elektroničkih signala sinaptičkom tranzistoru pomoću umjetnog živčanog kruga. Stoga ovaj umjetni sustav uči prepoznavati i reagirati na senzorne ulaze na temelju intenziteta i učestalosti signala male snage, upravo onako kako bi biološka sinapsa učinila u živom tijelu. Novost ove studije je kako su ove tri pojedinačne komponente koje su ranije bile poznate uspješno integrirane po prvi put kako bi se stvorio kohezivni sustav.
Istraživači su testirali sposobnost ovog sustava da generira reflekse i osjeti dodir. U jednom eksperimentu pričvrstili su svoj umjetni živac na nogu žohara i primijenili mali pritisak na senzor dodira. Elektronički neuron pretvarao je signal senzora u digitalne signale i propuštao ih kroz sinaptički tranzistor. To je uzrokovalo trzanje žoharove noge na temelju povećanja ili smanjenja pritiska u senzoru dodira. Dakle, ova umjetna postava sigurno je aktivirala refleks trzanja. U drugom eksperimentu, istraživači su pokazali sposobnost umjetnog živca u otkrivanju različitih osjeta dodira tako što su mogli razlikovati slova na Brajevom pismu. U drugom testu zakotrljali su cilindar preko senzora u različitim smjerovima i uspjeli su točno detektirati točan smjer kretanja. Dakle, ovaj uređaj može poboljšati prepoznavanje objekata i finu obradu taktilnih informacija kao što je prepoznavanje tekstura, čitanje Brajeve azbuke i razlikovanje rubova objekata.
Budućnost umjetnog senzornog živčanog sustava
Ova tehnologija umjetnih živaca je u vrlo ranoj fazi i nije dosegla potrebnu razinu složenosti, ali je dala ogromnu nadu za stvaranje umjetnih kožnih obloga. Jasno je da bi takvi “pokrivi” također zahtijevali uređaje za detekciju topline, vibracija, pritiska i drugih sila i osjeta. Moraju imati dobru sposobnost ugrađivanja u fleksibilne sklopove kako bi mogli učinkovito komunicirati s mozgom. Kako bi oponašao našu kožu, uređaj mora imati više integracije i funkcionalnosti što će ga učiniti stabilnijim i pouzdanijim.
Ova tehnologija umjetnog živca mogla bi biti blagodat za protetiku i vraćanje osjeta kod amputiranih. Protetski uređaji su se dosta poboljšali tijekom godine s više dostupne tehnologije 3D ispisa i osjetljivijim robotskim sustavima. Unatoč ovim nadogradnjama, većina protetskih uređaja dostupnih danas mora se kontrolirati na vrlo grub način jer ne pružaju dobro zadovoljavajuće sučelje s mozgom zbog nedostatka inkorporacije zamršenosti golemog ljudskog živčanog sustava. Uređaj ne daje povratnu informaciju pa se pacijent osjeća vrlo nezadovoljno i prije ili kasnije ih odbacuje. Takva tehnologija umjetnih živaca, kada se uspješno ugradi u protetiku, korisnicima će pružiti informacije o dodiru i pomoći će pacijentima u pružanju boljeg iskustva. Ovaj je uređaj veliki korak prema izradi senzornih neuronskih mreža nalik koži za različite primjene dajući ovlasti refleksa i osjetila dodira.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
Yeongin K i sur. 2018. Bioinspirirani fleksibilni organski umjetni aferentni živac. Znanost. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
