Հետազոտողները ստեղծել են արհեստական զգայական նյարդային համակարգ, որը կարող է մշակել մարդու մարմնին նման տեղեկատվություն և կարող է արդյունավետորեն շոշափել պրոթեզային վերջույթներին:
Մեր մաշկը՝ մարմնի ամենամեծ օրգանը, նաև ամենակարևորն է, քանի որ այն ծածկում է մեր ամբողջ մարմինը, վերահսկում է մեր մարմնի ջերմաստիճանը և պաշտպանում մեզ վնասակար արտաքին գործոններից, ինչպիսիք են արևը, աննորմալ ջերմաստիճանը, մանրէները և այլն: Մեր մաշկը կարող է զգալիորեն ձգվել և կարող է վերականգնվել: Մաշկը նաև կարևոր է, քանի որ այն մեզ տալիս է շոշափելի զգացողություն, որի միջոցով մենք կարողանում ենք որոշումներ կայացնել: Մաշկը մեզ համար բարդ զգայական և ազդանշանային համակարգ է:
Մի ուսումնասիրության հրապարակված գիտությունՍտենֆորդի համալսարանի և Սեուլի ազգային համալսարանի պրոֆեսոր Ժենան Բաոյի գլխավորած հետազոտողները մշակել են արհեստական զգայական նյարդային համակարգ, որը կարող է մեծ քայլ լինել «արհեստական մաշկ» ստեղծելու համար պրոթեզավորում վերջույթներ, որոնք կարող են վերականգնել զգայունությունը և գործել որպես նորմալ մաշկի ծածկույթ: Այս հետազոտության դժվար կողմն այն էր, թե ինչպես արդյունավետ կերպով ընդօրինակել մեր մաշկը, որն ունի մի քանի յուրահատուկ հատկություններ: Այն հատկանիշը, որն ամենադժվար է ընդօրինակելն այն է, թե ինչպես է մեր մաշկը գործում որպես խելացի զգայական ցանց, որն առաջին հերթին սենսացիաներ է փոխանցում ուղեղին և նաև հրամայում է մեր մկաններին արձագանքել ռեֆլեքսների միջոցով՝ արագ որոշումներ կայացնելու համար: Օրինակ՝ հպումով արմունկի մկանները ձգվում են, և այդ մկանների սենսորները նեյրոնի միջոցով իմպուլս են ուղարկում ուղեղ: Այնուհետև նեյրոնը մի շարք ազդանշաններ է ուղարկում համապատասխան սինապսներին: Մեր մարմնի սինապտիկ ցանցը ճանաչում է մկանների հանկարծակի ձգման օրինաչափությունը և միաժամանակ երկու ազդանշան է ուղարկում: Մեկ ազդանշանը հանգեցնում է արմունկի մկանների կծկմանը որպես ռեֆլեքս, իսկ երկրորդ ազդանշանը գնում է դեպի ուղեղ՝ տեղեկացնելու այս սենսացիայի մասին: Իրադարձությունների այս ամբողջ հաջորդականությունը տեղի է ունենում գրեթե վայրկյանի մի մասում: Այս բարդ կենսաբանական զգայական նյարդային համակարգերի նմանակումը, ներառյալ նեյրոնների ցանցի բոլոր ֆունկցիոնալ տարրերը, դեռևս դժվար է:
Եզակի զգայական նյարդային համակարգ, որը «կրկնօրինակում է» իրականը
Հետազոտողները ստեղծել են եզակի զգայական երբեք համակարգ, որը կարող է կրկնել, թե ինչպես է աշխատում մարդու նյարդային համակարգը: Հետազոտողների կողմից նախագծված «արհեստական նյարդային շղթան» ինտեգրում է երեք բաղադրիչ մի քանի սանտիմետր չափերով հարթ, ճկուն թերթիկի մեջ: Այս բաղադրիչներն առանձին-առանձին նկարագրվել են նախկինում: Առաջին բաղադրիչը հպումն է սենսոր որը կարող է հայտնաբերել ուժեր և ճնշում (նույնիսկ մինի): Այս սենսորը (պատրաստված է օրգանական պոլիմերներ, ածխածնային նանոխողովակներ և ոսկու էլեկտրոդներ) ազդանշաններ են ուղարկում երկրորդ բաղադրիչի՝ ճկուն էլեկտրոնային նեյրոնի միջոցով։ Այս երկու բաղադրիչներն էլ կատարելագործված և կատարելագործված տարբերակներն են այն ամենի, ինչ մշակվել է նախկինում նույն հետազոտողների կողմից: Այս երկու բաղադրիչների միջով գեներացված և փոխանցվող զգայական ազդանշանները փոխանցվում են երրորդ բաղադրիչին՝ արհեստական սինապտիկ տրանզիստորին, որը մոդելավորվում է ճիշտ այնպես, ինչպես մարդու սինապսները ուղեղում: Այս բոլոր երեք բաղադրիչները պետք է համահունչ աշխատեն, և վերջնական գործառույթի ցուցադրումն ամենադժվար կողմն էր: Իրական կենսաբանական սինապսները փոխանցում են ազդանշանները և պահպանում են տեղեկատվություն, որն անհրաժեշտ է որոշումներ կայացնելու համար: Այս սինապտիկ տրանզիստորը «կատարում է» այս գործառույթները՝ արհեստական նյարդային շղթայի միջոցով էլեկտրոնային ազդանշաններ հասցնելով սինապտիկ տրանզիստորին: Հետևաբար, այս արհեստական համակարգը սովորում է ճանաչել և արձագանքել զգայական մուտքերին՝ հիմնվելով ցածր էներգիայի ազդանշանների ինտենսիվության և հաճախականության վրա, ճիշտ այնպես, ինչպես կվարվեր կենսաբանական սինապսը կենդանի մարմնում: Այս ուսումնասիրության նորությունն այն է, թե ինչպես են նախկինում հայտնի այս երեք առանձին բաղադրիչները հաջողությամբ ինտեգրվել առաջին անգամ՝ ապահովելու համակցված համակարգ:
Հետազոտողները փորձարկել են այս համակարգի՝ ռեֆլեքսներ առաջացնելու և նաև հպումը զգալու ունակությունը: Փորձարկումներից մեկի ժամանակ նրանք ամրացրել են իրենց արհեստական նյարդը ուտիճի ոտքին և փոքր ճնշում գործադրել իրենց հպման սենսորի վրա: Էլեկտրոնային նեյրոնը սենսորային ազդանշանը վերածել է թվային ազդանշանների և դրանք փոխանցել սինապտիկ տրանզիստորի միջով։ Սա պատճառ է դարձել, որ ուտիճի ոտքը կծկվի՝ հպման սենսորի ճնշման բարձրացման կամ նվազման հիման վրա: Այսպիսով, այս արհեստական կարգավորումը, անշուշտ, ակտիվացրեց կծկման ռեֆլեքսը: Երկրորդ փորձի ժամանակ հետազոտողները ցուցադրեցին արհեստական նյարդի կարողությունը՝ հայտնաբերելու տարբեր հպման սենսացիաներ՝ ի վիճակի լինելով տարբերակել Բրայլի տառերը: Մեկ այլ փորձարկման ժամանակ նրանք սենսորի վրայով գլան գլորեցին տարբեր ուղղություններով և կարողացան ճշգրիտ հայտնաբերել շարժման ճշգրիտ ուղղությունը: Այսպիսով, այս սարքն ի վիճակի է բարելավել օբյեկտների ճանաչումը և նուրբ շոշափելի տեղեկատվության մշակումը, ինչպիսիք են հյուսվածքների ճանաչումը, բրայլյան ընթերցումը և առարկաների եզրերը տարբերակելը:
Արհեստական զգայական նյարդային համակարգի ապագան
Արհեստական նյարդի այս տեխնոլոգիան շատ վաղ փուլում է և չի հասել անհրաժեշտ բարդության մակարդակին, բայց հսկայական հույս է տվել արհեստական մաշկի ծածկույթներ ստեղծելու համար: Հասկանալի է, որ նման «ծածկույթների» համար կպահանջվեն նաև ջերմություն, թրթռում, ճնշում և այլ ուժեր ու սենսացիաներ հայտնաբերելու սարքեր: Նրանք պետք է ունենան ճկուն սխեմաների մեջ ներկառուցվելու լավ կարողություն, որպեսզի կարողանան արդյունավետորեն կապ հաստատել ուղեղի հետ: Մեր մաշկը նմանակելու համար սարքը պետք է ունենա ավելի շատ ինտեգրում և ֆունկցիոնալություն, ինչը կդարձնի այն ավելի կայուն և հուսալի:
Արհեստական նյարդերի այս տեխնոլոգիան կարող է պարգև լինել պրոթեզավորման և անդամահատվածների սենսացիաների վերականգնման համար: Տարվա ընթացքում պրոթեզային սարքերը շատ են բարելավվել՝ 3D տպագրության ավելի շատ տեխնոլոգիաների և ռոբոտաշինության ավելի արձագանքող համակարգերի շնորհիվ: Չնայած այս բարելավումներին, այսօր հասանելի պրոթեզային սարքերի մեծ մասը պետք է վերահսկվի շատ կոպիտ ձևով, քանի որ դրանք լավ բավարարող միջերես չեն ապահովում ուղեղի հետ՝ մարդկային հսկայական նյարդային համակարգի բարդությունների բացակայության պատճառով: Սարքը հետադարձ կապ չի տալիս, և այդպիսով հիվանդը իրեն շատ դժգոհ է զգում և վաղ թե ուշ հեռացնում է դրանք: Արհեստական նյարդի նման տեխնոլոգիան, երբ հաջողությամբ ներդրվի պրոթեզավորման մեջ, օգտատերերին կհաղորդի հպման տեղեկատվությունը և կօգնի հիվանդներին ավելի լավ փորձ ունենալ: Այս սարքը մեծ քայլ է տարբեր կիրառությունների համար մաշկի նման զգայական նեյրոնային ցանցեր ստեղծելու ուղղությամբ՝ տալով ռեֆլեքսային և հպման զգացողություն:
***
{Դուք կարող եք կարդալ հետազոտական հոդվածի բնօրինակը` սեղմելով ներքևում նշված DOI հղումը` մեջբերված աղբյուրների ցանկում:}
Աղբյուրը (ներ)
Yeongin K et al. 2018. Բիոներշնչված ճկուն օրգանական արհեստական աֆերենտ նյարդ: գիտություն. https://doi.org/10.1126/science.aao0098
