Olemme yksi askel tiukemmin luomaan keinotekoista ihoa, jolla on kosketusherkku

George Dvorsky 10/13/2017. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

Leikkaavat proteesit ovat hämmästyttäviä, mutta niillä ei ole yhtä tärkeää ominaisuutta: kosketuksen tunne. Nyt Stanfordin yliopiston tutkimusryhmä on kehittänyt keinotekoista ihoa, joka voi tuntea voimia, joita esineet tekevät - ja välittää sitten aistien signaalit aivosoluille.

Riittämätön aistinvaraisuus on nykyisten proteesien raajojen vakava rajoitus, olivatpa ne keinotekoisia käsiä, käsiä tai jalkoja. Käyttäjien on voitava tuntea, miten kohde reagoi kosketuksiinsa saadakseen optimaalisen moottorinohjauksen. Muussa tapauksessa on vaikea tietää, kuinka paljon voimaa kohdistetaan kohteeseen, tai tunne esimerkiksi lämpötilaa ja tekstuuria. Lisäksi kosketusnäytön tunne - tai jopa sen illuusio - voi lievittää fantomisen raajan kipua, joka vaikuttaa noin 80 prosenttiin amputoiduista.

Meillä on vielä pitkät keinot luoda keinotekoista ihoa, joka tuntee ja reagoi samalla tavoin kuin luonnollinen iho, mutta sähköinsinööri Benjamin Teen johtama Stanford-tiimi teki äskettäin todisteena konseptin, joka vie meitä huomattavasti askeleen lähemmäksi.

Kestävä iho joustavilla keinotekoisilla mekaanisilla reseptoreilla (luento: Bao Research Group / Stanfordin yliopisto

Käyttämällä joustavia orgaanisia piirejä ja innovatiivista uutta paineanturia Teen tiimi kehitti eräänlaisen keinotekoisen ihon, joka voi tuntea staattisten esineiden voiman. Lisäksi, tämä aistin data siirrettiin sitten viljeltyihin eli in vitro hiirten aivosoluihin optogeenisen tekniikan avulla. He ovat julkaisseet työnsä tulokset lehdessä Science .

Tiny Pyramids of Touch

Järjestelmä, jota kutsutaan nimellä DiTact (Digital Tactile System), perustuu pienitehoiseen, joustavaan orgaaniseen transistoripiiriin, joka muuttaa paineen tunteen samantyyppisiksi signaaleiksi, jotka luonnollisesti luodaan luonnollisten ihon mekanisoeseptoreiden avulla. Nämä signaalit muunnettiin vuorostaan ​​sarjaksi jännitepulsseja.

DiTact-järjestelmä (Credit: Tee et al., 2015 / Science)

Jotta anturit saataisivat laajan dynaamisen painealueen, tutkijat käyttivät hiilinanoputkia muotoiltuiksi pyramidin rakenteisiin.

"Anturimme valmistettiin pienistä pyramiduista kumilla, joissa hiilinanoputket jaettiin siihen", totesi tutkimusopettaja Alex Chortos Gizmodon sähköpostissa. "Tämä rakenne oli erittäin hyödyllinen, koska se antoi meille mahdollisuuden vaihtaa muutamia asioita, kuten pyramidien välinen etäisyys, pyramidien koko ja hiilinanoputkien pitoisuus, jotta saisimme ihanteelliset paineentunnistusominaisuudet oikealla alueella. ”

Nämä mikrorakenteet antavat tutkijoille mahdollisuuden maksimoida antureiden herkkyyden tavalla, joka lähentelee luonnollisen ihon kutina-reseptorien herkkyyttä.

Transferring Signals

Nämä signaalit eivät yksinään tee mitään. Jotta heidät voidaan kokea aistinvaraisiksi, heidät täytyy välittää aivoihin. Tätä varten tutkijat ottivat nämä signaalit, jotka vaihtelivat välillä 0 - 200 hertsiä ja siirsivät ne optisten kuitujen kautta hiirien aivokuoren hermosoluihin. DiTact on vielä kehitysvaiheessa, joten tutkijat lähettivät signaalit viljeltyihin soluihin in vitro , pikemminkin elävien hiirten aivoihin.

DiTact-järjestelmä (Credit: Tee et al., 2015 / Science)

Tätä tekniikkaa, jota kutsutaan optogenetikseksi, voitaisiin lopulta käyttää eläville henkilöille. Tämän prosessin kautta neuroneja stimuloidaan palamaan tai lopettamaan ampuminen genetiikka-tekniikalla neuroneja, jotka reagoivat valoon. Levien siirtogeeni tekee neuroneista palon, kun ne altistuvat siniselle valolle, ja bakteerigrangeeni saa ne vastaamaan keltaiseen valoon.

Mutta tässä kokeessa tutkijoiden oli käytettävä vaihtoehtoista optogeneettistä ratkaisua, jotta he pystyisivät nopeuttamaan aistien tietojen käsittelyä neuroneilla.

"Biologiset mekaaniset reseptorit kykenevät tuottamaan signaaleja yhtä nopeasti kuin useita satoja sähköpulsseja sekunnissa", kertoo Chortos. "Aiemmat optogeneettiset teknologiat kykenivät vain stimuloimaan aivosoluja paljon hitaammin kuin mitä meidän on jäljittelemään todellisia mekanismeereceptoreja."

Chortos viittaa Andre Berndtin ja Karl Deisserothin työhön, joka kehitti uudenlaisen optogeneettisen hoidon, jonka ansiosta aivosoluja voidaan stimuloida hyvin nopeasti, jotta he ovat yhteensopivia todellisten mekanoreceptoreiden nopeuden kanssa.

Teen tutkimusryhmä osoittaa, että uudet optogeneettiset proteiinit pystyivät tarttumaan pidempiin stimulaatiojaksoihin, mikä on voimakas osoitus siitä, että järjestelmä voi olla yhteensopiva muiden nopeasti vauhdittavien neuronien kanssa, mukaan lukien ääreishermot. Toisin sanoen DiTact todennäköisesti työskentelee elävissä hiirissä ja mahdollisesti ihmisissä. Ja todellakin, tutkijat kertoivat Gizmodolle, että heidän seuraava tutkimusvaihe on käyttää niiden anturia stimuloimaan elävien hiirten hermoa.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Ottaen huomioon, että signaalit siirrettiin petrimaljaan kuulumattomien solujen tuhkaksi eikä elävälle eläimelle, kuinka he voisivat olla varmoja, että heidän signaaleilla oli oikea luonne ja voimakkuus?

"Voisimme vahvistaa, että anturi välittää oikeaa tietoa [elävälle] eläimelle käyttäytymismallien avulla eli miten eläin käyttäytyy vastauksena paineeseen", sanoi Chortos. "Viimeinen testi on kiinnittää anturi ihmiseen ja kysyä heiltä, ​​mitä he tuntevat. Jotta saisit todella luonnollisen kosketuksen tunnistuksen, saatamme joutua muokkaamaan ja muokkaamaan muotoilua. "

Itse asiassa lopullinen tavoite on ihmisläpäisevyyden lisääminen kosketusherkällä keinotekoisella iholla.

"Me kuvittelemme keinotekoisia mekanoreceptoreit, jotka vaikuttavat eniten integraation kautta aistinvaraiseen palautteeseen proteesien järjestelmien kehittämisessä muilla ryhmillä", totesi kirjailija Amanda Nguyen. "Kun anturi asennetaan keinotekoisten raajojärjestelmien rinnalle, ensisijaiset turvallisuuskysymykset keskittyvät hermostimulaatiomalleihin ja käyttöliittymään."

Nguyen sanoo, että aikuisen neuroprotektisen ihmisen aistinvaraisen palautteen varhainen työ on ollut lupaava, mutta tarvitaan suurempia ja osallisempia inhimillisiä tutkimuksia, jotta voimme ymmärtää, kuinka tehokkaasti ja turvallisesti stimuloidaan hermoja antamaan aistinvaraista palautetta.

"Koska stimulaatioparametreja ymmärretään paremmin, keinotekoisen mekanoreceptorimme tuotos viritetään noudattamaan näitä stimulaatiopadigmeja", hän sanoi. "Osoittamalla tehokkuutta ja turvallisuutta, mahdollisuuksia parantaa elämänlaatua yksilöille, joilla on tuntohäiriöitä, voidaan tasapainottaa neuroprotektisten eettisten huolenaiheiden avulla. Tämäntyyppisen teknologian saavutettavuus ihmisillä kasvaa, koska sekä tietämys neurotieteistä kasvaa ja proteesitekniikka etenee, jotta se tuottaa värillisiä aistihavaintoja. "

Todellakin, tämä tutkimusväylä muuttuu ajan myötä turvallisemmaksi ja vähemmän eettisesti epäilyttäväksi. Jotta optogenetics toimii oikein ja turvallisesti ihmisillä, esimerkiksi tutkijoiden on selvitettävä tapa saada optogenetics toimimaan ilman turvautumatta invasiivisiin kuituoptisiin johtimiin ja siirtogeenien viruksen toimittamiseen potilaille.

MIT: n Materiaalitekniikan ja -tekniikan professori Polina Anikeevan mukaan voi pian olla mahdollista käyttää potilaan kantasoluja ja mahdollistaa niiden herkkyyden tietylle valon aallonpituudelle geneettisen manipulaation kautta kehon ulkopuolelle. Hän kertoi Gizmodolle, että nämä solut voidaan sitten saattaa uudelleen käyttöön potilaan ääreishermostoksi, jolloin jälkimmäiset voidaan optisesti stimuloida. Ei johdot, ei eettisesti epäilyttäviä transgeenejä. Anikeeva sanoo, että voi myös olla mahdollista käyttää hermostimulaatiota parantamaan hermojen kykyä regeneroida itseään tai jopa muodostaa intiimejä rajapintoja synteettisten antureiden kanssa.

Riittää sanoa, emme näe tällaisia ​​tekniikoita vuosia, ellei vuosikymmeniä. Mutta Teen ja hänen tiiminsä Stanfordin työn ansiosta tie tämän tavoitteen saavuttamiseen on yhä selvempi.

Lue koko tutkimus Science : " ihon inspiroima orgaaninen digitaalinen mekanoreceptor ".


Lähetä kirjailija osoitteessa george@gizmodo.com ja seuraa häntä osoitteessa @dvorsky . Top kuva Bao Research Group, Stanfordin yliopistosta

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language