We zijn een stap dichter bij het creëren van kunstmatige huid met een gevoel van aanraking

George Dvorsky just a moment. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

De allernieuwste prothese is geweldig, maar ze missen een heel belangrijk kenmerk: een gevoel van aanraking. Nu heeft een onderzoeksteam van Stanford University een kunstmatige huid ontwikkeld die de kracht van objecten kan waarnemen en die sensorische signalen kan doorgeven aan hersencellen.

Ontoereikende sensorische feedback is een ernstige beperking van de huidige prothetische ledematen, of het nu gaat om kunstmatige handen, armen of benen. Gebruikers moeten in staat zijn aan te voelen hoe een object reageert op hun aanraking om een ​​optimale motorregeling te hebben. Anders is het moeilijk om te weten hoeveel kracht er op een voorwerp wordt uitgeoefend, of dingen als temperatuur en textuur te voelen. Bovendien kan het tastgevoel - of zelfs de illusie ervan - phantom ledematen pijn verlichten, die ongeveer 80% van de geamputeerden treft.

We zijn nog lang niet in staat om een ​​kunstmatige huid te creëren die op dezelfde manier als natuurlijke huid aanvoelt en reageert, maar het Stanford-team onder leiding van elektrotechnicus Benjamin Tee voerde onlangs een proof-of-concept-experiment uit dat ons een aanzienlijke stap dichterbij.

Rekbare huid met flexibele kunstmatige mechanoreceptoren (Credit: Bao Research Group / Stanford University

Door het gebruik van flexibele organische circuits en een innovatieve nieuwe druksensor ontwikkelde het team van Tee een soort van kunstmatige huid die de kracht van statische objecten kan waarnemen. Wat meer is, deze sensorische gegevens werden vervolgens doorgegeven aan gekweekte, dat wil zeggen in vitro hersencellen van muizen met behulp van optogenetische technologie. Ze hebben de resultaten van hun werk gepubliceerd in het tijdschrift Science .

Tiny Pyramids of Touch

Het systeem, genaamd DiTact (Digital Tactile System), is gebaseerd op een low-power, flexibel organisch transistorcircuit dat het gevoel van druk omzet in dezelfde soort signalen die op natuurlijke wijze worden gegenereerd door mechanoreceptoren van de natuurlijke huid. Deze signalen werden op hun beurt omgezet in een reeks spanningspulsen.

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

Om de sensoren het grote dynamische drukbereik te laten registreren, gebruikten de onderzoekers koolstofnanobuizen die waren gegoten in piramidale structuren.

"Onze sensor was gemaakt van kleine piramides van rubber met daarin koolstofnanobuisjes," merkte co-auteur Alex Chortos op in een e-mail aan Gizmodo. "Deze structuur was zeer nuttig omdat het ons in staat stelde om eenvoudig een paar dingen te veranderen, zoals de afstand tussen de piramides, de grootte van de piramides en de concentratie van koolstofnanobuizen om de ideale drukwaarnemingskarakteristieken binnen het juiste bereik te krijgen. ”

Met deze microstructuren konden onderzoekers de gevoeligheid van de sensoren maximaliseren op een manier die de gevoeligheid van de huidreceptoren van de natuurlijke huid nauw benadert.

Transferring Signals

Op zichzelf doen deze signalen niets. Om als sensorische feedback te worden ervaren, moeten ze worden doorgegeven aan een brein. Daartoe namen de onderzoekers deze signalen, die varieerden tussen 0 en 200 hertz, en gaven deze via optische vezels door aan de corticale neuronen van muizen. DiTact bevindt zich nog in een vroege fase van ontwikkeling, zodat de onderzoekers de signalen in vitro doorgeven aan gekweekte cellen, eerder in de hersenen van levende muizen.

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

Deze techniek, die optogenetica wordt genoemd, zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt bij levende proefpersonen. Door dit proces worden neuronen gestimuleerd om te vuren of te stoppen met schieten door genetisch-engineering neuronen die reageren op licht. Een transgen uit algen laat neuronen vuren wanneer ze worden blootgesteld aan blauw licht en een bacterieel transgen zorgt ervoor dat ze reageren op geel licht.

Maar voor dit experiment moesten de onderzoekers een alternatieve optogenetische oplossing gebruiken om rekening te houden met de snelle snelheid waarmee sensorische informatie door neuronen wordt verwerkt.

"Biologische mechanoreceptoren kunnen signalen produceren zo snel als honderden elektrische pulsen per seconde," zegt Chortos. "Eerdere optogenetische technologieën waren alleen in staat hersencellen veel langzamer te stimuleren dan we echte mechanoreceptoren moesten nabootsen."

Chortos wijst op het werk van Andre Berndt en Karl Deisseroth die een nieuw type optogenetische behandeling ontwikkelden waarmee hersencellen zeer snel kunnen worden gestimuleerd, zodat ze compatibel zijn met de snelheid van echte mechanoreceptoren.

Het onderzoeksteam van Tee laat zien dat de nieuwe optogenetische eiwitten in staat waren langere intervallen van stimulatie te verwerken, wat een sterke indicatie is dat het systeem compatibel zou kunnen zijn met andere snelstijgende neuronen, inclusief perifere zenuwen. Met andere woorden, DiTact zal waarschijnlijk werken bij levende muizen en mogelijk bij mensen. En inderdaad, de onderzoekers vertelden Gizmodo dat de volgende stap in hun onderzoek zal zijn om hun sensor te gebruiken om de zenuw van levende muizen te stimuleren.

From Science Fiction to Reality
From Science Fiction to Reality

Gegeven dat de signalen werden doorgegeven aan groepen cellen in een petrischaal en niet door een levend dier, hoe konden ze er dan zeker van zijn dat hun signalen van de juiste aard en intensiteit waren?

"We kunnen bevestigen dat onze sensor de juiste informatie aan [een levend] dier overdraagt ​​door gebruik te maken van gedragsaanwijzingen, dwz hoe het dier zich gedraagt ​​als reactie op druk," zei Chortos. "De ultieme test zal zijn om de sensor aan een mens te hechten en hem te vragen wat hij voelt. Om echt natuurlijke touch-sensing te krijgen, moeten we misschien ons ontwerp aanpassen en aanpassen. "

Het uiteindelijke doel is inderdaad om menselijke protheses te doordrenken met een aanraakgevoelige kunsthuid.

"We stellen ons voor dat onze kunstmatige mechanoreceptoren de grootste impact hebben via integratie voor sensorische feedback met prothesesystemen in ontwikkeling door andere groepen," merkte co-auteur Amanda Nguyen op. "Aangezien onze sensor naast kunstmatige ledematen zou worden gemonteerd, zijn de belangrijkste veiligheidsaspecten gecentreerd rond zenuwstimulatiepatronen en -interface."

Nguyen zegt dat vroeg werk met sensorische feedback met neuroprothesen bij de mens veelbelovend was, maar er is behoefte aan grotere en meer betrokken menselijke studies om te begrijpen hoe zenuwen effectief en veilig kunnen worden gestimuleerd om sensorische feedback te geven.

"Naarmate de stimulatieparameters beter worden begrepen, zal de output van onze kunstmatige mechanoreceptor worden afgestemd om deze stimuleringsparadigma's te volgen," zei ze. "Met aantoonbare werkzaamheid en veiligheid kan het potentieel voor verbetering van de kwaliteit van leven van personen met een tactiele beperking worden afgewogen tegen de ethische bezorgdheid van neuroprothesen. Toegankelijkheid van dit type technologie bij de mens zal toenemen naarmate zowel ons begrip van neurowetenschap groeit als de prothetische technologie zich ontwikkelt om genuanceerde zintuiglijke waarnemingen te verschaffen. "

Inderdaad, deze weg van onderzoek zal in de loop van de tijd veiliger en minder ethisch twijfelachtig worden. Om optogenetics bij mensen goed en veilig te laten werken, moeten onderzoekers bijvoorbeeld een manier bedenken om optogenetics te laten werken zonder toevlucht te nemen tot invasieve glasvezeldraden en de virale aflevering van transgenen aan patiënten.

Volgens Polina Anikeeva, hoogleraar Materials Science and Engineering aan het MIT, kan het binnenkort mogelijk worden om stamcellen van de patiënt te gebruiken en hun gevoeligheid voor een bepaalde golflengte van licht via genetische manipulatie buiten het lichaam mogelijk te maken. Ze vertelde Gizmodo dat deze cellen vervolgens potentieel opnieuw kunnen worden geïntroduceerd in de perifere zenuw van de patiënt, waardoor de laatste optisch kan worden gestimuleerd. Geen draden, geen ethisch twijfelachtige transgenen. Anikeeva zegt dat het ook mogelijk kan zijn om neurale stimulatie te gebruiken om het vermogen van de zenuw om zichzelf te regenereren te vergroten of zelfs om intieme interfaces met synthetische sensoren te vormen.

Het volstaat te zeggen dat we dit soort technologieën al jaren, zo niet tientallen jaren zullen zien. Maar dankzij het werk van Tee en zijn team op Stanford wordt het pad om dit doel te bereiken steeds duidelijker.

Lees de hele studie op Science : " Een organische geïnspireerde organische mechanoreceptor op de huid ".


E-mail de auteur naar george@gizmodo.com en volg hem op @dvorsky . Topafbeelding door Bao Research Group, Stanford University

11 Comments

synthozoic
Menebrio
Keyan Reid
FM
Hotscot
Admiral Asskicker

Suggested posts

Other George Dvorsky's posts

Language