ADVERTENTIE

Kunstmatig sensorisch zenuwstelsel: een zegen voor protheses

ENGINEERING & TECHNOLOGIEKunstmatig sensorisch zenuwstelsel: een zegen voor protheses

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 Wetenschap, hebben onderzoekers onder leiding van Prof Zhenan Bao van Stanford University en Seoul National University een kunstmatig sensorisch zenuwstelsel dat een grote stap zou kunnen zijn in de richting van het creëren van een "kunstmatige huid" voor protheses ledematen die het gevoel kunnen herstellen en werken als een normale huidbedekking. Het uitdagende aspect van deze studie was hoe we onze huid, die verschillende unieke eigenschappen bezit, effectief kunnen nabootsen. De eigenschap die het moeilijkst na te bootsen is, is de manier waarop onze huid zich gedraagt ​​als een slimme zintuiglijk netwerk dat in de eerste plaats sensaties naar de hersenen stuurt en ook onze spieren opdracht geeft om via een reflex te reageren om snelle beslissingen te nemen. Een tik zorgt er bijvoorbeeld voor dat de elleboogspieren zich uitstrekken en sensoren in deze spieren sturen een impuls naar de hersenen via een neuron. Het neuron stuurt vervolgens een reeks signalen naar relevante synapsen. Het synaptische netwerk in ons lichaam herkent het patroon van plotselinge rek in spieren en zendt tegelijkertijd twee signalen uit. Het ene signaal zorgt ervoor dat de elleboogspieren als een reflex samentrekken en het tweede signaal gaat naar de hersenen om te informeren over deze sensatie. Deze hele reeks gebeurtenissen vindt plaats in bijna een fractie van een seconde. Het nabootsen van deze gecompliceerde biologische sensorische zenuwsystemen, inclusief alle functionele elementen in het netwerk van neuronen, blijft nog steeds een uitdaging.

Uniek sensorisch zenuwstelsel dat de echte "nabootst"

Onderzoekers hebben een uniek sensorisch nooit-systeem gecreëerd dat zou kunnen repliceren hoe het menselijk zenuwstelsel functioneert. Het door onderzoekers ontworpen 'kunstmatige zenuwcircuit' integreert drie componenten in een plat, flexibel vel van enkele centimeters. Deze componenten zijn afzonderlijk eerder beschreven. Het eerste onderdeel is een aanraking sensor die krachten en druk kan detecteren (zelfs mini-exemplaren). Deze sensor (gemaakt van organische polymeren, koolstofnanobuisjes en gouden elektroden) stuurt signalen door een tweede component, een flexibel elektronisch neuron. Beide componenten zijn verbeterde en verbeterde versies van wat eerder door dezelfde onderzoekers is ontwikkeld. Sensorische signalen die door deze twee componenten worden gegenereerd en doorgegeven, worden geleverd aan een derde component, een kunstmatige synaptische transistor die precies is gemodelleerd als menselijke synapsen in de hersenen. Al deze drie componenten moeten samenhangend werken en het aantonen van de eindfunctie 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 "voert" deze functies uit door elektronische signalen aan de synaptische transistor te leveren met behulp van het kunstmatige zenuwcircuit. Daarom leert dit kunstmatige systeem sensorische input te herkennen en erop te reageren op basis van de intensiteit en frequentie van signalen met een laag vermogen, precies zoals een biologische synaps zou doen in een levend lichaam. De nieuwigheid van deze studie is hoe deze drie afzonderlijke componenten die eerder bekend waren, voor het eerst met succes werden geïntegreerd om een ​​samenhangend systeem te leveren.

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.

***

{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}

Bron (nen)

Yeongin K et al. 2018. Een bio-geïnspireerde flexibele organische kunstmatige afferente zenuw. Wetenschaphttps://doi.org/10.1126/science.aao0098

SCIEU-team
SCIEU-teamhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Wetenschappelijk Europees® | SCIEU.com | Aanzienlijke vooruitgang in de wetenschap. Impact op de mensheid. Inspirerende geesten.

Schrijf je in voor onze Nieuwsbrief!

Om op de hoogte te blijven van het laatste nieuws, aanbiedingen en speciale aankondigingen.

- Advertentie -

Meest populaire artikelen

MediTrain: een nieuwe meditatie-oefensoftware om de aandachtsspanne te verbeteren

Study heeft een nieuwe digitale meditatie-oefensoftware ontwikkeld...

Nieuwe remedie voor borstkanker

In een ongekende doorbraak, een vrouw met geavanceerde borst...

Nanorobots die medicijnen rechtstreeks in de ogen afleveren

Voor het eerst zijn er nanorobots ontworpen die...
- Advertentie -
97,923FansLike
62,759volgersVolg
1,904volgersVolg
31abonneesInschrijven