Ученые создали искусственный электронный аналог афферентного нерва — подсоединив его к ноге таракана, авторы смогли имитировать передачу сигналов от настоящих нервов таракана и заставили его ногу двигаться. Исследование опубликовано в журнале Science.

Одна из главных особенностей современных протезов заключается в том, что они позволяют не просто манипулировать объектами, но и получать осязательную отдачу от таких взаимодействий. Несмотря на то, что такие разработки уже существуют, пока их чувствительность не может передавать те же ощущения, что и осязание через настоящие механорецепторы. Одним из основных подходов, которые могут позволить создать протезы, максимально похожие на настоящие конечности, считается полная имитация механизмов, лежащих в основе тактильного восприятия.

Исследователи под руководством Тхэ-У Ли (Tae-Woo Lee) из Сеульского университета создали искусственный аналог афферентного нерва, отвечающего в том числе за передачу сигналов при прикосновении к объектам. По сути, ученые реализовали в устройстве три электронных аналога настоящих объектов: механорецепторов, регистрирующих давление на кожу; нервного волокна, собирающего сигналы с рецепторов и преобразующего их в потенциал действия; а также синапса, превращающего потенциалы действия в постсинаптический потенциал, который можно использовать для взаимодействия с эфферентными нервами и управления мышцами.

Сравнение человеческих афферентных нервов с разработанным аналогом. Yeongin Kim et al. / Science, 2018

Функцию механорецепторов исследователи реализовали с помощью резистивных датчиков давления. Датчик состоит из плоского золотого электрода и располагающегося над ним электрода из углеродных нанотрубок, поверхность которого состоит из множества пирамидок. При увеличении давления площадь контакта между электродами увеличивается, а электрическое сопротивление уменьшается, что позволяет измерить величину давления.

После регистрации давления этот сигнал подается на кольцевой осциллятор, преобразующий его в последовательность импульсов, в которой частота импульсов кодирует величину давления. Этот элемент немного отличается от своего биологического прообраза, потому что вместе с увеличением давления увеличивается не только частота, но и амплитуда сигнала, что не похоже на настоящий потенциал действия в живых организмах. Сигналы с нескольких кольцевых осцилляторов собираются в транзисторе, имитирующем синапс, и преобразуются в постсинаптический потенциал.

Yeongin Kim et al. / Science, 2018

Авторы работы показали, что эта система позволяет определить не только само прикосновение, но и его направление его движения. Также они продемонстрировали, что массив из датчиков может определять символы алфавита Брайля. Кроме того, ученые присоединили устройство к эфферентным нервам в отрезанной ноге таракана, и показали, как эти сигналы заставляют мышцы в ноге сокращаться:

Недавно американские исследователи создали искусственный синапс, который может не только проводить сигналы, но и имитировать синаптическую пластичность. Считается, что именно этот эффект является ключевым в процессе обучения.

Автор: Григорий Копиев