سیستم عصبی حسی مصنوعی: موهبتی برای پروتزها

محققان یک سیستم عصبی حسی مصنوعی ساخته‌اند که می‌تواند اطلاعات مشابه بدن انسان را پردازش کند و به طور موثر حس لامسه را به اندام‌های مصنوعی بدهد.

پوست ما، بزرگترین اندام بدن، همچنین مهم ترین است، زیرا کل بدن ما را می پوشاند، دمای بدن ما را کنترل می کند و از ما در برابر عوامل خارجی مضر مانند آفتاب، دمای غیرعادی، میکروب ها و غیره محافظت می کند. پوست ما می تواند به طور قابل توجهی کشیده شود و می تواند خود را ترمیم کند. پوست نیز مهم است زیرا حس لامسه را برای ما فراهم می کند که از طریق آن قادر به تصمیم گیری هستیم. پوست برای ما یک سیستم حسی و سیگنالینگ پیچیده است.

در یک مطالعه منتشر شده در علممحققین به سرپرستی پروفسور ژنان بائو در دانشگاه استنفورد و دانشگاه ملی سئول موفق به توسعه مصنوعی سیستم عصبی حسی که می تواند گام بزرگی برای ایجاد "پوست مصنوعی" باشد مبحث اعضای مصنوعی اندام هایی که می توانند حس را بازگردانند و مانند یک پوشش طبیعی پوست عمل کنند. جنبه چالش برانگیز این مطالعه این بود که چگونه به طور موثر پوست خود را که دارای چندین ویژگی منحصر به فرد است تقلید کنیم. ویژگی‌ای که تقلید از آن سخت‌تر است، روشی است که در آن پوست ما مانند یک هوشمند عمل می‌کند حسی شبکه ای که ابتدا احساسات را به مغز منتقل می کند و همچنین به عضلات ما دستور می دهد تا از طریق یک رفلکس برای تصمیم گیری سریع واکنش نشان دهند. به عنوان مثال، ضربه زدن باعث کشیده شدن عضلات آرنج می شود و حسگرهای موجود در این ماهیچه ها از طریق یک نورون به مغز تکانه می فرستند. سپس نورون یک سری سیگنال به سیناپس های مربوطه ارسال می کند. شبکه سیناپسی در بدن ما الگوی کشش ناگهانی عضلات را تشخیص می دهد و دو سیگنال را به طور همزمان ارسال می کند. یک سیگنال باعث می شود که عضلات آرنج به عنوان یک رفلکس منقبض شوند و سیگنال دوم به مغز می رود تا از این احساس مطلع شود. کل این توالی رویداد تقریباً در کسری از ثانیه اتفاق می افتد. تقلید از این سیستم عصبی حسی بیولوژیکی پیچیده از جمله تمام عناصر عملکردی در شبکه نورون ها همچنان چالش برانگیز است.

سیستم عصبی حسی منحصربه‌فرد که واقعیت را «تقلید» می‌کند

محققان یک سیستم حسی منحصر به فرد ایجاد کرده اند که می تواند عملکرد سیستم عصبی انسان را تکرار کند. "مدار عصبی مصنوعی" که توسط محققان طراحی شده است، سه جزء را در یک صفحه صاف و انعطاف پذیر به اندازه چند سانتی متر ادغام می کند. این اجزا به صورت جداگانه قبلا توضیح داده شده است. اولین جزء لمسی است حسی که می تواند نیروها و فشار (حتی مینی) را تشخیص دهد. این سنسور (ساخته شده از سازمانی پلیمرها، نانولوله‌های کربنی و الکترودهای طلا) سیگنال‌ها را از طریق جزء دوم، یک نورون الکترونیکی انعطاف‌پذیر، ارسال می‌کنند. هر دوی این مؤلفه‌ها نسخه‌های بهبودیافته و بهبودیافته‌ای هستند از آنچه قبلاً توسط همان محققان توسعه داده شده بود. سیگنال‌های حسی تولید شده و از طریق این دو مؤلفه به مؤلفه سوم، یک ترانزیستور سیناپسی مصنوعی که دقیقاً شبیه سیناپس‌های انسان در مغز مدل‌سازی می‌شود، تحویل داده می‌شود. همه این سه جزء باید به طور منسجم کار کنند و نشان دادن عملکرد نهایی چالش برانگیزترین جنبه بود. سیناپس های بیولوژیکی واقعی سیگنال ها را رله می کنند و اطلاعاتی را که برای تصمیم گیری لازم است ذخیره می کنند. این ترانزیستور سیناپسی این عملکردها را با ارسال سیگنال های الکترونیکی به ترانزیستور سیناپسی با استفاده از مدار عصبی مصنوعی انجام می دهد. بنابراین، این سیستم مصنوعی یاد می‌گیرد که ورودی‌های حسی را بر اساس شدت و فرکانس سیگنال‌های کم‌توان تشخیص دهد و به آن واکنش نشان دهد، درست همان کاری که یک سیناپس بیولوژیکی در بدن زنده انجام می‌دهد. تازگی این مطالعه این است که چگونه این سه مؤلفه فردی که قبلاً شناخته شده بودند، برای اولین بار با موفقیت یکپارچه شدند تا یک سیستم منسجم را ارائه دهند.

محققان توانایی این سیستم را برای ایجاد رفلکس و همچنین حس لامسه آزمایش کردند. در یک آزمایش، آنها عصب مصنوعی خود را به پای سوسک وصل کردند و فشار کمی به حسگر لمسی خود وارد کردند. نورون الکترونیکی سیگنال حسگر را به سیگنال های دیجیتال تبدیل کرده و آنها را از ترانزیستور سیناپسی عبور می دهد. این باعث شد که پای سوسک بر اساس افزایش یا کاهش فشار در حسگر لمسی تکان بخورد. بنابراین، این تنظیم مصنوعی مطمئناً رفلکس انقباض را فعال کرد. در آزمایش دوم، محققان توانایی این عصب مصنوعی را در تشخیص احساسات مختلف لمس با توانایی تمایز حروف بریل نشان دادند. در آزمایشی دیگر، آنها یک استوانه را بر روی سنسور در جهات مختلف چرخاندند و توانستند جهت دقیق حرکت را به دقت تشخیص دهند. بنابراین، این دستگاه قادر به بهبود تشخیص اشیا و پردازش اطلاعات لمسی ظریف مانند تشخیص بافت، خواندن بریل و تشخیص لبه‌های اجسام است.

آینده سیستم عصبی حسی مصنوعی

این فناوری اعصاب مصنوعی در مراحل اولیه است و به سطح پیچیدگی لازم نرسیده است، اما امید زیادی به ایجاد پوشش های مصنوعی پوست داده است. واضح است که چنین «پوشش‌هایی» به دستگاه‌هایی برای تشخیص گرما، ارتعاش، فشار و سایر نیروها و احساسات نیاز دارند. آنها باید توانایی خوبی برای جاسازی در مدارهای انعطاف پذیر داشته باشند تا بتوانند به طور موثر با مغز ارتباط برقرار کنند. برای تقلید از پوست ما، دستگاه نیاز به یکپارچگی و عملکرد بیشتری دارد که آن را پایدارتر و قابل اعتمادتر می کند.

این فناوری اعصاب مصنوعی می تواند یک موهبت برای پروتز و بازگرداندن احساسات در افراد قطع عضو باشد. دستگاه‌های مصنوعی در طول سال با فناوری چاپ سه بعدی بیشتر و سیستم‌های روباتیک پاسخگوتر بهبود یافته‌اند. علیرغم این ارتقاها، اکثر دستگاه های مصنوعی موجود امروزی باید به روشی بسیار خشن کنترل شوند، زیرا به دلیل عدم ادغام پیچیدگی های سیستم عصبی وسیع انسان، رابط رضایت بخشی خوبی با مغز ایجاد نمی کنند. دستگاه بازخورد نمی دهد و بنابراین بیمار احساس نارضایتی زیادی می کند و دیر یا زود آنها را دور می اندازد. چنین فناوری اعصاب مصنوعی هنگامی که با موفقیت در پروتزها گنجانده شود، اطلاعات لمسی را در اختیار کاربران قرار می دهد و به بیماران کمک می کند تا تجربه بهتری داشته باشند. این دستگاه با اعطای قدرت رفلکس و حس لامسه گام بزرگی در جهت ساخت شبکه های عصبی حسی پوست مانند برای کاربردهای مختلف است.

***

{شما می‌توانید مقاله پژوهشی اصلی را با کلیک بر روی پیوند DOI که در فهرست منابع ذکر شده در زیر آمده است بخوانید}

منبع (ها)

Yeongin K و همکاران. 2018. یک عصب آوران مصنوعی آلی انعطاف پذیر با الهام زیستی. علم. https://doi.org/10.1126/science.aao0098