Onderzoekers hebben een kunstmatig sensorisch zenuwstelsel ontwikkeld dat informatie kan verwerken die vergelijkbaar is met het menselijk lichaam en het effectief tastzin kan geven aan prothetische ledematen
Onze huid, het grootste orgaan van ons lichaam, is ook het belangrijkste omdat het ons hele lichaam bedekt, onze lichaamstemperatuur regelt en ons beschermt tegen schadelijke externe factoren zoals zon, abnormale temperaturen, ziektekiemen enz. Onze huid kan zich opmerkelijk uitrekken en zichzelf herstellen. De huid is ook belangrijk omdat het ons een tastzin geeft waardoor we beslissingen kunnen nemen. De huid is voor ons een complex detectie- en signaleringssysteem.
In een studie gepubliceerd in Science hebben onderzoekers onder leiding van professor Zhenan Bao van Stanford University en Seoul National University een kunstmatig sensorisch zenuwstelsel ontwikkeld. Dit zou een grote stap kunnen zijn in de richting van het creëren van "kunstmatige huid" voor protheses , die het gevoel zou kunnen herstellen en zich zou gedragen als een normale huid. De grootste uitdaging van dit onderzoek was hoe onze huid, die verschillende unieke eigenschappen bezit, effectief na te bootsen. De moeilijkst na te bootsen eigenschap is de manier waarop onze huid functioneert als een slim sensorisch netwerk dat eerst sensaties naar de hersenen stuurt en vervolgens onze spieren aanstuurt om via een reflex te reageren en snel beslissingen te nemen. Een tikje zorgt er bijvoorbeeld voor dat de spieren in de elleboog zich uitrekken, en sensoren in deze spieren sturen impulsen naar de hersenen via een neuron. Het neuron stuurt vervolgens een reeks signalen naar de relevante synapsen. Het synaptische netwerk in ons lichaam herkent het patroon van de plotselinge spierrekking en stuurt tegelijkertijd twee signalen uit. Het ene signaal zorgt ervoor dat de elleboogspieren reflexmatig samentrekken en het tweede signaal gaat naar de hersenen om deze sensatie te registreren. Deze hele reeks gebeurtenissen vindt plaats in een fractie van een seconde. Het nabootsen van dit complexe biologische sensorische zenuwstelsel, inclusief alle functionele elementen in het netwerk van neuronen, blijft een uitdaging.
Uniek sensorisch zenuwstelsel dat de echte "nabootst"
Onderzoekers hebben een uniek sensorisch zenuwstelselsysteem ontwikkeld dat de werking van het menselijk zenuwstelsel nabootst. Het door de onderzoekers ontworpen "kunstmatige zenuwcircuit" integreert drie componenten in een plat, flexibel vel van enkele centimeters. Deze componenten zijn eerder al afzonderlijk beschreven. De eerste component is een aanraaksensor die krachten en druk kan detecteren (zelfs de kleinste). Deze sensor (gemaakt van organische polymeren, koolstofnanobuisjes en gouden elektroden) stuurt signalen door naar een tweede component, een flexibele elektronische neuron. Beide componenten zijn verbeterde versies van componenten die eerder door dezelfde onderzoekers zijn ontwikkeld. Sensorische signalen die door deze twee componenten worden gegenereerd en doorgegeven, worden naar een derde component gestuurd, een kunstmatige synaptische transistor die exact is gemodelleerd naar menselijke synapsen in de hersenen. Al deze drie componenten moeten samenwerken en het aantonen van de uiteindelijke werking was het meest uitdagende aspect. Echte biologische synapsen geven signalen door en slaan informatie op die nodig is om beslissingen te nemen. Deze synaptische transistor "vervult" deze functies door elektronische signalen naar de synaptische transistor te sturen met behulp van het kunstmatige zenuwcircuit. Dit kunstmatige systeem leert dus sensorische input te herkennen en erop te reageren op basis van de intensiteit en frequentie van zwakke signalen, net zoals een biologische synaps in een levend lichaam dat zou doen. De nieuwigheid van deze studie is dat deze drie afzonderlijke, reeds bekende componenten voor het eerst succesvol zijn geïntegreerd tot een samenhangend systeem.
Onderzoekers testten het vermogen van dit systeem om reflexen te genereren en ook aanraking te voelen. In één experiment bevestigden ze hun kunstmatige zenuw aan een kakkerlakkenpoot en oefenden ze een kleine druk uit op hun aanraaksensor. Het elektronische neuron zette het sensorsignaal om in digitale signalen en stuurde ze door de synaptische transistor. Dit zorgde ervoor dat het been van de kakkerlak trilde op basis van de druktoename of afname in de aanraaksensor. Deze kunstmatige opstelling heeft dus zeker de spiertrekkingsreflex geactiveerd. In een tweede experiment toonden onderzoekers het vermogen van de kunstmatige zenuw om verschillende aanrakingen te detecteren door brailleletters te kunnen onderscheiden. In een andere test rolden ze een cilinder in verschillende richtingen over de sensor en waren in staat om de exacte bewegingsrichting nauwkeurig te detecteren. Dit apparaat is dus in staat om objectherkenning en fijne tactiele informatieverwerking te verbeteren, zoals textuurherkenning, braillelezing en het onderscheiden van randen van objecten.
Toekomst van het kunstmatige sensorische zenuwstelsel
Deze kunstmatige zenuwtechnologie bevindt zich in een zeer vroeg stadium en heeft niet het vereiste complexiteitsniveau bereikt, maar heeft enorme hoop gegeven voor het creëren van kunstmatige huidbedekkingen. Het is duidelijk dat voor dergelijke "bedekkingen" ook apparaten nodig zijn om warmte, trillingen, druk en andere krachten en sensaties te detecteren. Ze moeten een goed vermogen hebben om ingebed te worden in flexibele circuits, zodat ze effectief kunnen communiceren met de hersenen. Om onze huid na te bootsen, moet het apparaat meer integratie en functionaliteit hebben, waardoor het stabieler en betrouwbaarder wordt.
Deze kunstmatige zenuwtechnologie kan een zegen zijn voor protheses en het herstel van sensaties bij geamputeerden. De prothetische apparaten zijn in de loop van het jaar veel verbeterd met meer beschikbare 3D-printtechnologie en responsievere robotsystemen. Ondanks deze upgrades moeten de meeste prothetische apparaten die tegenwoordig beschikbaar zijn, op een zeer ruwe manier worden bestuurd, omdat ze geen goede bevredigende interface met de hersenen bieden vanwege een gebrek aan integratie van de fijne kneepjes van het enorme menselijke zenuwstelsel. Het apparaat geeft geen feedback en daarom voelt de patiënt zich erg ontevreden en legt hij deze vroeg of laat af. Een dergelijke kunstmatige zenuwtechnologie zal, wanneer deze met succes in protheses wordt geïntegreerd, aanraakinformatie voor gebruikers opleveren en de patiënten een betere ervaring bieden. Dit apparaat is een grote stap in de richting van het maken van huidachtige sensorische neurale netwerken voor verschillende toepassingen door reflex- en tastzin te verlenen.
***
Bron (nen)
Yeongin K et al. 2018. Een bio-geïnspireerde flexibele organische kunstmatige afferente zenuw. Science . https://doi.org/10.1126/science.aao0098
***
