研究者らは、人体と同様の情報を処理できる人工感覚神経システムを開発し、義肢に効果的に触覚を与えることができると発表した。
身体の最大の器官である皮膚は、全身を覆い、体温を制御し、太陽、異常な温度、細菌などの有害な外的要因から私たちを守るため、最も重要です。私たちの皮膚は驚くほど伸び、自己修復することができます。 皮膚は、私たちが意思決定を行うための触覚を提供してくれるという点でも重要です。 皮膚は私たちにとって複雑な感知および信号伝達システムです。
に掲載された研究では 科学スタンフォード大学とソウル国立大学のジェナン・バオ教授率いる研究者らは、 人工の 感覚神経系の研究は、「人工皮膚」の作成に向けた大きな一歩となる可能性があります。 補綴 手足は感覚を回復し、通常の皮膚カバーのように機能します。 この研究の課題は、いくつかのユニークな特性を持つ人間の皮膚を効果的に模倣する方法でした。 真似するのが最も難しい特徴は、私たちの皮膚が賢い細胞のように振る舞うことです。 感覚の このネットワークは、まず感覚を脳に伝達し、さらに筋肉が反射的に反応して迅速な決定を下すように命令します。 たとえば、タップすると肘の筋肉が伸び、これらの筋肉のセンサーがニューロンを介して脳にインパルスを送ります。 その後、ニューロンは関連するシナプスに一連の信号を送信します。 私たちの体のシナプス ネットワークは、筋肉の突然の伸びのパターンを認識し、XNUMX つの信号を同時に送信します。 XNUMX つの信号は反射として肘の筋肉を収縮させ、XNUMX つ目の信号は脳に送られてこの感覚を知らせます。 この一連のイベントは、ほぼ数分の XNUMX 秒で発生します。 ニューロンのネットワーク内のすべての機能要素を含む、この複雑な生物学的感覚神経システムを模倣することは依然として困難です。
本物を「模倣」する独自の感覚神経システム
研究者らは、人間の神経系がどのように機能するかを再現できる独自の感覚ネバーシステムを開発しました。 研究者らが設計した「人工神経回路」は、XNUMXつのコンポーネントを数センチメートルの平坦で柔軟なシートに統合している。 これらのコンポーネントは個別に以前に説明されています。 最初のコンポーネントはタッチです センサー which can detect forces and pressure (even mini ones). This sensor (made of オーガニック polymers, carbon nanotubes and gold electrodes) send signals through a second component, a flexible electronic neuron. Both these components are enhanced and improved versions of what was developed by same researchers before. Sensory signals generated and passed through these two components are delivered to a third component, an artificial synaptic transistor which is modelled exactly like human synapses in the brain. All these three components have to work cohesively and demonstrating the end function was the most challenging aspect. Real biological synapses relay signals and store information which is required to take decisions. This synaptic transistor “performs” these functions by delivering electronic signals to the synaptic transistor by using the artificial nerve circuit. Therefore, this artificial system learns to recognize and react to sensory inputs based upon the intensity and frequency of low-power signals, just how a biological synapse would do in a living body. The novelty of this study is how these three individual components that are known previously were integrated successfully for the first time to deliver a cohesive system.
研究者らは、このシステムが反射神経を生成し、接触を感知する能力をテストしました。 ある実験では、人工神経をゴキブリの足に取り付け、タッチセンサーに小さな圧力を加えました。 電子ニューロンはセンサー信号をデジタル信号に変換し、シナプストランジスタに渡しました。 これにより、タッチセンサーの圧力の増減に基づいてゴキブリの足がけいれんしました。 したがって、この人工的な設定は確かに単収縮反射を活性化しました。 XNUMX番目の実験では、研究者らは点字文字を区別できることにより、人工神経がさまざまな接触感覚を検出する能力を実証した。 別のテストでは、シリンダーをセンサーの上でさまざまな方向に転がし、動きの正確な方向を正確に検出することができました。 したがって、このデバイスは、物体認識と、テクスチャ認識、点字読み取り、物体のエッジの識別などの微細な触覚情報処理を向上させることができます。
人工感覚神経システムの未来
この人工神経技術は非常に初期段階にあり、必要な複雑さのレベルに達していませんが、人工皮膚被覆の作成に大きな期待を与えています。 このような「カバー」には、熱、振動、圧力、その他の力や感覚を検出するデバイスも必要であることは明らかです。 脳と効果的に接続できるように、柔軟な回路に組み込む優れた能力が必要です。 私たちの肌を模倣するには、デバイスの安定性と信頼性を高めるための統合性と機能性を高める必要があります。
この人工神経技術は義肢にとって恩恵となり、切断者の感覚を回復する可能性がある。 人工器官は、より多くの 3D プリンティング技術が利用可能になり、ロボット システムの応答性が向上したことで、この XNUMX 年で大幅に改善されました。 これらのアップグレードにもかかわらず、現在入手可能なほとんどの人工器官は、人間の膨大な神経系の複雑さが組み込まれていないため、脳との良好な満足のいくインターフェイスを提供していないため、非常に大雑把な方法で制御する必要があります。 この装置はフィードバックを提供しないため、患者は非常に不満を感じ、遅かれ早かれそれらを捨ててしまいます。 このような人工神経技術は、プロテーゼにうまく組み込まれると、ユーザーに接触情報を提供し、患者により良い体験を提供するのに役立ちます。 このデバイスは、反射と触覚の力を与えることにより、さまざまな用途に使用できる皮膚のような感覚ニューラル ネットワークの作成に向けた大きな一歩となります。
***
{引用元のリストにある以下のDOIリンクをクリックすると、元の研究論文を読むことができます}
ソース
ヨンイン K 他2018. 生体からインスピレーションを得た柔軟な有機人工求心性神経。 科学. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
