Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Нервная система

Сколько информации за жизнь воспринимает человек

12.04.2021 00:19:09 | Автор: admin


Книги, ТВ, Интернет нас окружает информация, тонны информации. Вы когда-нибудь задумывались над тем, сколько информации мы воспринимаем за свою жизнь?

Мне этот вопрос показался очень интересным, и я решил его прогуглить. Как и ожидалось, вменяемого ответа найти не удалось, поэтому пришлось браться за дело основательно с привлечением умных книжек и научных статей. В итоге получилось целое исследование, ходом и результатами которого я и хочу с вами поделиться.

Методика измерения


Все, что касается человека, не может быть точно измерено. В этом наше благо и одновременно наше проклятье. Оказывается, даже ответить на элементарный вопрос, сколько мышц в теле человека, однозначно невозможно. Все упирается в методику подсчета, в зависимости от которой получаются различные результаты. Что уж говорить о такой сложной и до конца не изученной теме, как человеческое восприятие. Поэтому в исследовании нам потребуются некоторые упрощения и договорённости, водить которые будем по мере рассказа, и начнем с самых простых.
Договоренность 1. Для простоты расчетов определим срок жизни человека в 100 лет, или 36 500 дней, или 876 000 часов, или 52 560 000 минут, или 3 153 600 000 ($3,1536 * 10^9$) секунд.

Договоренность 2. Режим сна и бодрствования, скорость развития и деградации восприятия для каждого человека уникальны, поэтому для простоты в дальнейших расчетах будем считать, что восприятие исследуемого человека с первой секунды жизни развито максимально. Оно не деградирует с возрастом, не знает покоя и отдыха и всегда работает на пике своих возможностей.

Как можно заметить, в исследовании мы будем ориентироваться на оценку максимально возможного объема воспринимаемой информации.

Если сильно упростить, то работу нашей когнитивной системы можно представить как сбор сенсорной информации и ее последующий анализ. По результатам анализа мы выполняем какие-либо действия, ну или не выполняем в зависимости от того, что там наанализировали.
Договоренность 3. В данной работе будем придерживаться материалистской философии и игнорировать возможности экстрасенсорного восприятия.

Учитывая тот факт, что все, что мы воспринимаем, есть результат работы наших сенсорных систем, и никаким другим данным взяться попросту неоткуда, мы можем определить искомый объем воспринимаемой информации $V_{totalinfo}$ (бит) по Формуле 1:

$V_{totalinfo}=P_{fullperception}*T_{lifetime}, (1),$

где $P_{fullperception}$ мощность потока сенсорного восприятия (бит / сек.), а $T_{lifetime}$ время жизни человека (сек.).

Учитывая, что $T_{lifetime}$ мы определили в Договоренности 1, фактически нам необходимо определить только $P_{fullperception}$.

Первичной клеткой, выполняющей преобразование стимулов внешней среды в нервные импульсы, является рецептор. Когнитивная система человека состоит из гигантского количества рецепторов. В одном только глазу их находится около 126 миллионов [1.1]: 120 миллионов палочек (рецепторов видящих в черно-белом) и 6 миллионов колбочек (рецепторов, видящих в цвете). Каждый из этих рецепторов через последовательность нейронов, называемую проводящим путем, передает информацию в центральную нервную систему (ЦНС) (Рисунок 1).


Рисунок 1

В ЦНС разрозненные данные, поступающие от каждого отдельного рецептора, собираются в единую картину воспринимаемого нами мира.

Если рассмотреть подобную обработку данных на примере зрения, то зрительные рецепторы можно представить в виде однопиксельных видеокамер, каждая из которых подключена своим выделенным проводом (хотя это не совсем так, но об этом ниже) к головному мозгу, где из разрозненных точек формируется картинка. Таким образом мощность общего потока восприятия $P_{fullperception}$ можно определить по Формуле 2:

$P_{fullperception}=\displaystyle\sum_{i} P_i, (2),$


где $P_i$ мощность потока восприятия, протекающего по i-му проводящему пути (Рисунок 2).


Рисунок 2

Но на самом деле не все так просто.

Начнем опять-таки с глаз. Некоторые рецепторы, как правило палочки, подсоединяются к одному проводящему пути сразу по несколько штук (до 1:1000 на самых краях сетчатки [2.1]). Отмечу, что в отличии от вычислительных сетей, где один канал связи может разделяться между несколькими абонентами, проводящие пути человеческой нервной системы этого делать не умеют, и в примере с палочками по ним передается суммарная информация от всех подсоединённых к ним рецепторов. Это снижает остроту зрения, но зато существенно повышает нашу способность видеть при слабой освещенности.

Кроме того, не все рецепторы передают информацию в ЦНС. Например, рецепторы, находящиеся в сердце, замкнуты на собственную, автономную от ЦНС, внутрисердечную нервную систему, регулирующую работу сердца.

И что теперь делать?

Договоренность 4. Начнем с первого, когда по одному проводящему пути передаются данные от нескольких рецепторов. Этот факт будет говорить нам от том, что считать объем воспринимаемой информации нужно не по количеству рецепторов, а по количеству проводящих путей.
Договоренность 5. Вторую проблему о том, что не все пути ведут в ЦНС, будем решать путем игнорирования данных, идущих мимо ЦНС.

С теорией вроде разобрались, перейдем к практике.

Анатомические факты


Трехтомник Физиология человека


Лучшее, что мне удалось найти по теме исследования, это глава Нервная система с точки зрения теории информации, написанная в первом томе великолепнейшего трехтомника Физиология человека, под редакцией Р. Шмидта. В этой главе приводится [1.2] следующая таблица (Рисунок 3):


Рисунок 3

Строками в этой таблице являются сенсорные системы. В столбцах указано:
  • ориентировочное число рецепторов в этих системах;
  • число афферентов (в наших схемах афферент это первый нейрон проводящего пути) по сути число проводящих путей;
  • суммарная пропускная способность всех проводящих путей сенсорной системы;
  • количество информации, выходящей на сознательный уровень.

К сожалению, в книге не удалось найти информацию о том, как получились эти данные. В частности, меня очень долго интересовал вопрос, как авторы получили подобную пропускную способность. Для глаз и ушей она на порядок превышает число афферентов, а для всех остальных систем равна их числу. Единственным разумным объяснением, на мой взгляд, является то, что множитель 2 авторы упростили до порядка 10. Кроме того, непонятно, почему авторы посчитали, что один афферент с подключенными к нему рецепторами может передавать только 1 бит в секунду. Ну что есть, то есть.

Складывая пропускные способности всех сенсорных систем, получим:
$P_{fullperception} = 10^7 + 10^5 + 10^6 + 10^3 + 10^5 = 1,1201 * 10^7 $ (бит / сек).
Тогда $V_{totalinfo} = 1,1201 * 10^7 * 3,1536 * 10^9 = 3,53234736 * 10^{16}$ бит, или
$V_{totalinfo} = 4,4154342$ Пбайт
Примечание. 1 петабайт, в соответствии с ГОСТ 8.417-2002, равен $10^{15}байт$.

Книга Наглядная физиология


В главе Обучение, память, язык книги Наглядная физиология [2.2] приводится описания процесса запоминания информации, и изображена следующая схема ее обработки человеком (Рисунок 4):


Рисунок 4

Как вы можете увидеть, авторы определили суммарный поток сенсорных данных ($P_{fullperception}$) в $10^9$ бит/сек. Каких-либо пояснений о том, как у них получилось данное число, не приводится. Рассчитаем на этих данных общий объем информации, воспринимаемой человеком.

$V_{totalinfo} = 10^9 * 3,1536 * 10^9 = 3,1536 * 10^{18}$ бит, или
$V_{totalinfo}= 394,2$ Пбайт.

Другие источники


В введении к книге Искусственный интеллект. Современный подход автор, сравнивая вычислительные возможности компьютеров и головного мозга человека, приводит [3.1] следующую таблицу (Рисунок 5):


Рисунок 5

Про поток сенсорной информации тут ничего нет, но есть суммарная пропускная способность головного мозга, которую автор определил в $10^{14}$ бит/сек. Нужно понимать, что это общая пропускная способность, в которой будут и сенсорные данные, и нервные импульсы управления мышцами, и все остальное. Поэтому данную цифру можно использовать только как верхнюю границу. Больше нее человек точно воспринять не сможет. Как и в других книгах расшифровки того, откуда автор взял данные числа, не приводится.

Из десятков других просмотренных книг по физиологии и искусственному интеллекту каких-либо других цифр найти не удалось, хотя несколько раз попадалась перепечатка таблицы из трехтомника Физиология человека.

На текущий момент мы получили результаты, отличающиеся друг от друга на порядки. Как-то это не очень здорово. Проведем собственные расчеты, чтобы понять, какие из результатов ближе к истине.

Собственные исследования


Давайте вернемся чуть-чуть назад и еще раз посмотрим на Рисунок 1. Какова максимальная мощность потока сенсорных данных, поступающих в ЦНС по одному проводящему пути? Ответить на этот вопрос очень трудно. А что если перефразировать его следующим образом: чем ограничивается поток сенсорных данных, поступающий в ЦНС по проводящему пути? Это уже интересней. Если вернуться к примеру с видеокамерами, то становится очевидно, что видеопоток, поступающий на регистратор (ЦНС) будет не больше того, что способна выдать камера (рецептор) и не больше того, что способен передать канал связи (проводящий путь).

Таким образом, мы получаем следующую зависимость (Формула 3):

$Max P_{path} = Min ( T, Max R ), (3),$

где $P_{path}$ мощность потока сенсорных данных, поступающих в ЦНС по проводящему пути; T пропускная способность проводящего пути; R мощность потока сенсорных данных, которую способен сгенерировать рецептор.

Пороемся еще в книгах по физиологии и попытаемся определить эти T и R.

Оценка пропускной способности проводящих путей


Из курса школьной биологии все мы знаем, что нервные импульсы передаются с помощью электрических токов, протекающих по нервным клеткам и их отросткам. Если вспомнить ту же школьную физику, то скорость электромагнитной волны в вакууме ~ 300 000 км/сек. Справочники по вычислительным сетям подскажут, что скорость распространения информативного сигнала в наиболее распространенных кабелях витых парах пятой категории (UTP 5) составляет ~0,7 от скорости света в вакууме ~ 210 000 км / сек. В человеческих нервах же этот показатель принимает значения [1.3] от 0,5 до 120 м / сек.! Как вы думаете откуда такие фантастические скорости?

Происходит это потому, что принцип протекания электрического тока в живых клетках коренным образом отличается от его протекания в проводниках. Нервный импульс, по науке называемый потенциалом действия, передается по клеточной мембране за счет последовательного изменения электрического потенциала ее фрагментов. При этом само изменение потенциала происходит за счет ионных токов, протекающих между клеткой и межклеточным пространством (Рисунок 6).


Рисунок 6, (с) Яндекс. Картинки

Однако медленная скорость распространения это не самое главное. Важно то, что информация, передаваемая в нервной системе, модулируется частотой потенциалов действия [1.4], каждый из которых имеет одинаковую амплитуду и длительность. Подобный подход к передаче информации физиологи окрестили как все или ничего. Считается, что он более помехоустойчив (организм стареет, он может отравится, заболеть и т.д.) нежели простейшая амплитудная модуляция.

Длительность потенциала действия в нервах составляет 1 мс [1.5], что позволяет говорить о том, что за 1 секунду может быть передано от 0 до 1000 потенциалов действия или 1001 состояние (модуляция осуществляется частотой потенциалов действия), что дает нам пропускную способность T ~ 10 бит / сек (для двоичного представления 1001 состояния нужно $log_2(1001) = 9.967$ (бит).

Оценка мощности информационного потока, исходящего из рецептора


Изначально в этой главе я хотел рассказать про зрительные рецепторы, а затем в следующей главе рассчитать мощность потока зрительного восприятия. Я подобрал справочные данные по чувствительности глаз и вот-вот должен был найти тактико-технические характеристики фоторецепторов, но найти их так и не смог.

В книгах по физиологии указаны пороговые значения восприятия того или иного органа чувств, расписано, из каких рецепторов он состоит, приводится ориентировочное количество рецепторов, и описываются базовые принципы их функционирования. Например, для зрения указывается:
  1. что в глазах есть 4 типа фоторецепторов: палочки, S-колбочки (синие), M-колбочки (зеленые), L-колбочки (красные) [2.4, 4];
  2. что глаз (не рецептор) способен различать около 200 оттенков цветов [2.4];
  3. что глаз в сценах с одинаковой освещенностью видит контрастность 1:40 [1.6];
  4. что частота слияния мельканий (считай частота оцифровки видеосигнала) для цветного зрения достигает 80 стимулов / сек. [1.7].

Проблема в том, что на основании этих данных невозможно рассчитать информационный вклад единичного фоторецептора, так как все эти показатели достигаются в основном за счет обработки сигналов мозгом.

Справедливости ради стоит отметить, что модель восприятия (Рисунки 1 и 2), используемая в этом исследовании, довольно примитивна и имеет некоторые неточности. В частности, сигнал с фоторецептора передается не напрямую в мозг, а предварительно пробегает по нескольким промежуточных нейронам, где осуществляется его первичная обработка. Но этот недостаток не является критичным, так как обработанные данные все равно передаются в мозг, где и осуществляется их основной анализ, а количество информации в результате первичной обработки может лишь уменьшиться. Это позволяет без серьезных искажений принять договорённость, при которой рецептором будут называть не только клетку, осуществляющую трансдукцию (то есть преобразование стимула в нервный импульс), но и остальные нейроны, по которым идет сигнал, до первого нейрона проводящего пути. Так что проблема не в модели, а в отсутствии первичной информации.

Кстати говоря, по другим органам чувств ситуация с характеристиками рецепторов такая же печальная.

Оценка мощности информационного потока, получаемого от зрения


Не смотря на наш провал с оценкой мощности информационного потока, поступающего от одного зрительного рецептора, попробуем рассчитать суммарный информационный поток, поступающий от зрения целиком. Для этого примем, что его мощность ограничивается лишь числом и пропускной способностью проводящих путей.

Физиологи сходятся во мнении, что из глаза исходит $10^6$ нервных окончаний [2.1] (считай проводящий путей), а с учетом того, что глаза два, и один проводящий путь позволяет передать 10 бит / сек. получаем мощность потока зрительного восприятия в $10^6*2*10=2*10^7$ бит / сек = 2 500 000 байт / сек = 2,5 Мб / сек.

Полученный результат близок к результату, указанному в трехтомнике Р. Шмидта [1.2] в части зрения.

Мегапиксели vs. глаза


Многие могут задаться вопросом: Если мы воспринимаем так мало, то почему мегапиксели камер в смартфонах растут из года в год?.

Как ни странно, но на этот вопрос довольно просто ответить. Дело в том, что человеческое зрение устроено довольно хитро. Резко и четко мы воспринимаем небольшой участок (пятно высокой четкости) в центре обозреваемой картины, все остальное размыто, а по краям изображение вообще черно-белое.

Если рассматривать улыбку на знаменитой картине Леонардо Да Винчи Мона Лиза, то реальное восприятие будет примерно таким (Рисунок 7):


Рисунок 7

Чтобы рассмотреть всю картину мы, словно читая, будем двигать по ней пятно высокой четкости, ну а мозг из этой видеозаписи уже смастерит нам красивую четкую картинку.

Те 2.5 Мб / сек. зрительного восприятия, что мы намеряли ранее, поступают в основном от этого пятна высокой четкости. А учитывая то, что взгляд, двигаясь по картинке, должен всегда получать качественное и четкое изображение, получается, что рассматриваемая картинка должна быть всегда лучше, чем глаз может воспринять пятном высокой четкости. Это и есть одна из причин роста мегапикселей.

Итоги и анализ результатов


  1. В результате исследования мы с вами получили два числа, претендующих на определение максимального объема информации, воспринимаемой человеком за свою жизнь:
    1. 4,4 Пбайт по версии трехтомника Физиология человека;
    2. 394,2 Пбайт по версии книги Наглядная физиология.
  2. Верифицируя полученные числа собственными исследованиями, мы рассчитали мощность потока зрительного восприятия, которая составила 2,5 Мбайт / сек. Данное число значительно ближе к мощности потока зрительного восприятия, описанной в трехтомнике Физиология человека, нежели к данным полученным из других источников. Это позволяет высказать мнение о том, что сведения, указанные в данном источнике, ближе к истине, чем сведения из других источников.
  3. Мы узнали, что человека можно назвать аналоговым с большой натяжкой. Данные, гуляющие по нервам, передаются в цифре.
  4. Сведения о параметрах человеческого восприятия отличаются в различных источниках на порядки. Это может говорить о том, что либо тема плохо изучена, либо о том, что точных результатов получить невозможно.
  5. Полученные оценочные объемы человеческого восприятия не представляют из себя каких-либо космических чисел. Оборудование для хранения и обработки подобных объемов информации уже давно присутствует на рынке. Что это значит? А то, что если каким-либо образом удастся оцифровать поступающие в человека сенсорные данные, то нет технических препятствий для их машинной обработки (обучения искусственных нейронных сетей, и т.д.). Не исключено, что подобные исследования позволят серьезно продвинуться на пути к созданию сильного искусственного интеллекта. Кроме того, адепты цифрового бессмертия могут возрадоваться, поскольку их ковчег уже вполне существует.
  6. Максимальный объем восприятия определяет предел технологического развития человечества.
    Все наши знания иерархически связаны между собой. Например, высшая математика опирается на алгебру. Нельзя решить дифференциальное уравнение, если не знать элементарных алгебраических операций. На получение каждой порции знаний человек тратит время. Если раньше человек, знающий грамоту, имел достаточные знания для жизни, то сейчас, чтобы нормально жить, нужно иметь специальность и знания на уровне высшего образования. На данный момент человечество находится в начале пути технологического развития. Сейчас за 15 лет (школа + ВУЗ) можно получить приемлемый уровень знаний в любой области человеческих изысканий. По мере продвижения по пути технологического прогресса, это время будет увеличиваться, пока не наступит момент, когда для освоения самых передовых технологий человеку потребуется время, сопоставимое с продолжительностью его жизни. Это и будет пределом технического прогресса человечества. При этом человек может сколь угодно совершенствовать процесс обучения, но больше, чем максимальный объем своего восприятия, он узнать не сможет.


Ссылки


  1. Физиология человека: В 3-томах. Т.1. Пер. с англ./ Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. 3-е изд. М: Мир, 2005. ISBN 5-03-003575-3
    1. стр. 247
    2. стр. 177
    3. стр. 45
    4. стр. 173
    5. стр. 29
    6. стр. 238
    7. стр. 256
  2. Наглядная физиология / С. Зильбернагль, А. Деспопулос; пер. с англ. М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. ISBN 978-5-94774-385-2
    1. стр. 370
    2. стр. 347
    3. стр. 352
    4. стр. 368
    5. стр. 360
  3. Искусственный интеллект: современный подход, 2-е изд..: Пер. с англ. М.: Издательский дом Вильямс, 2006. ISBN 5-8459-00887-6
    1. стр. 49
  4. Human Visual Pigments: Microspectrophotometric Results from the Eyes of Seven Persons / H. J. A. Dartnall, J. K. Bowmaker and J. D. Mollon / Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences Vol. 220, No. 1218 (Nov. 22, 1983), pp. 115-130 (16 pages) Published By: Royal Society / www.jstor.org/stable/35874?seq=1


Перечень рекомендуемой литературы


  1. Анатомия нервной системы / Козлов В. И., Цехмистренко Т. А. / Учебное пособие для студентов. М.: Мир, 2006 ISBN 5-03-003567-2
  2. Глаз, мозг, зрение / Д. Хьюбел; Пер. с англ. О. В. Левашова, Г. А. Шараева; Под ред. А. Л. Бызова. М.: Мир, 1990. ISBN 5-03-001254-0
  3. Физиология высшей нервной деятельности и сенсорных систем: Учебник вузов. / А. С. Батуев. 3-е изд., испр. и доп. СПб: Питер, 2008. ISBN 978-5-91180-842-6
  4. Физиология высшей нервной деятельности с основами нейробиологии: учебник для студ. высш. учеб. заведений / В. В. Шульговский. 2-е изд. испр. и доп. М.: Издательский центр Академия, 2008. ISBN 978-5-7695-5092-8
Подробнее..

Recovery mode Говорит и показывает Ишутин

14.09.2020 12:17:21 | Автор: admin

Иллюстрация киберздоровья


image

Заметка публикуется в качестве иллюстративного материала к готовящейся статье, посвящённой здоровью оператора ЭВМ и эргономике его сегодняшнего рабочего места. Данный разбор вынесен в отельную публикацию с целью по возможности сократить объём основной статьи.

На примере интервью Данила Ишутина, взятого у него Яной Химченко на чемпионате мира по DOTA2 (
The International) в 2015-ом году, рассмотрим характерную картину его общего физического состояния, а также один любопытный психологический нюанс, из этого состояния вытекающий.

Выраженный синдром Марфана, как правило, подразумевает гипермобильность суставов, что делает гражданина Ишутина ценнейшей иллюстрацией интересующих нас эффектов, т.к. деформация опорно-двигательного аппарата, вызванная длительным сидением за компьютером, проявляется при дисплазии соединительной ткани гораздо полнее и быстрее.
Цитаты взяты из работы Физические нагрузки современного человека НАУКА (1982), В.П.Загрядский, З.К.Сулимо-Самуйлло. Книга рекомендуется к ознакомлению всем работникам операторского профиля.



Существенную роль играет организация двигательного режима и физическая тренировка, особенно для тех специалистов, профессиональная деятельность которых сопровождается гипокинезией и физические нагрузки которых ниже физиологической нормы. В этих условиях возникает необходимость компенсировать их за счёт активного отдыха во время рабочих перерывов, за счёт внепроизводственной физической работы и главным образом путём физической культуры и спорта. Тренировка с использованием физических упражнений должна обеспечивать, с одной стороны, выработку и развитие наиболее важных психофизиологических качеств, необходимых для успешной профессиональной деятельности. Например, тренировка средствами специально подобранных физических упражнений устойчивости, быстроты, распределения и переключения внимания, тонкой координации движений, большой скорости сенсомоторных реакций и др. С другой стороны, тренировкой достигается повышение устойчивости организма к воздействию неблагоприятных факторов, расширение диапазона физиологических резервов и компенсаторных возможностей организма, улучшение здоровья и работоспособности человека. Особое внимание необходимо уделять профилактике последствий неблагоприятного воздействия монотоний.
Очевидно, что здоровью и физической подготовке Данила Ишутина уделя(лось)ется непозволительно мало внимания для профессионального уровня, что, в свою очередь, не может не сказаться на его спортивных результатах. Итак, отключим звук и проанализируем только язык тела.


0:41-0:45; 1:30-1:39 и т.д.
Беспокойные ноги рефлекторная реакция на застой кровообращения в нижних конечностях (также см. тут), при котором многократное сокращение мышц голени и стопы помогает вытолкнуть застоявшуюся на периферии венозную кровь. Кроме того, наблюдается характерная для застоя периферического кровообращения венозность кистей и предплечий, а также стоп и голеней, что при некоторых ракурсах заметно даже сквозь носки. Отставание венозного оттока главный признак и следствие гипокинезии и гиподинамии, т.к. важная составляющая прокачки венозной крови мышечные сокращения. К тому же, застои периферического кровообращения более всего опасны образованием тромбов (см. тромбоз авиапутешественника) с последующим их отрывом.
Многие специалисты операторского профиля испытывают в большей степени не динамическое, а статическое физическое напряжение при длительном поддержании необходимой рабочей позы. Это напряжение отличается выраженной утомляемостью. Кроме того, в длительно напряжённых мышцах при статической работе создаются более неблагоприятные условия кровообращения, чем при циклической динамической работе. В последнем случае периодические сокращения и расслабления мышц обеспечивают лучшие условия для тока крови в сосудах мышц, особенно в венозной части сосудистого русла.
В данном конкретном случае (парень то молодой) очевидно, что сердечно-сосудистая система со своей задачей относительно справляется, хоть и в режиме компенсации. Эпизоды встречаются в течении всего интервью, причём иногда в рефлекторный разгон застоя периферического кровообращения включаются и руки. Кроме того, в связи с хронической недостаточностью насосной функции скелетной мускулатуры, игращей важную роль в системе кровообращения хронической гипокинезией, наложенной на недостаточность мышечной массы тела, можно с большой долей вероятности предположить отклонения по сердцу (без учёта специфики синдрома Марфана). Рефлекторные спазмы и спазматические тики также помогают периферическому кровообращению.
Однообразная, монотонная и локальная работа в условиях ограничения внешних раздражителей (депривации) и мышечной деятельности ведёт к снижению производительности работы и оказывает общее детренирующее воздействие на организм.

Для сидячих профессий имеют значение физические упражнения, стимулирующие периферическое кровообращение, препятствующие возникновению застойных явлений в сосудах ног; для лиц, работа которых связана с большим количеством мелкоамплитудных движений кисти, рекомендуется самомассаж рук, резкая активация движений всей конечностью и т. п.
Однако упомянутые мероприятия по ликвидации дефицита двигательной активности должны быть непременно расширены и дополнены внепроизводственной мышечной деятельностью. Поэтому расширение объёма мышечной деятельности в процессе активного отдыха одно из условий сохранения и расширения резервов организма и в то же время способ повышения работоспособности человека.
0:54-1:00
Слабость прямых мышц (разгибателей) спины, при которой поддержание правильной позы очень утомительно, а постоянное поддержание просто невозможно. У киберспортсменов статическая утомляемость данной группы мышц особенно ярко выражена. Для уменьшения энергозатрат и компенсации мышечной слабости произведён упор левой рукой в бедро. Отчётливо видно как симметрия тела поехала по сколиотическому типу, из-за чего заблокировалось полноценное кровообращение в печени и полноценная функциональность правого лёгкого и диафрагмы, как, впрочем, и нормальное дыхание в целом. Весьма характерная поза (статичный упор левой рукой клавиатура, при свободно повешенной и максимально освобождённой правой мышь), продиктованная малопригодностью современных общеобиходных устройств ввода-вывода используемых не по назначению.

1:26-1:29
Невралгия на стыке шейного и грудного отделов позвоночника, иррадиирующая в плечо, что создаёт ощущение заклинивания плеча или прострелов. Следствие длительного подвешивания правой руки ради свободы движения мышью, деформирующего позвоночник и грудную клетку, и приводящего к характерным последствиям. Дисплазия соединительной ткани товарища Ишутина является как бедой, так и спасением. Гораздо более быстрая и сильная деформация опорно-двигательного аппарата при длительной, неправильной статической нагрузке, так же быстро и гораздо более полно, чем у обычного человека в его возрасте, исправима. Объём усилий, необходимых для коррекции осанки, в случае гипермобильности суставов существенно меньше, чем в случае физиологической нормы! Болевые атаки приводят к постепенной выработке оптимальной позы, когда мышцы, сокращение которых приводит к усилению боли, выключаются. Благодаря чему деформация закрепляется включаясь в моторный профиль.

1:40-1:50 и т.д.
Многочисленные лицевые и глазные тики. Следствие сильного переутомления зрительного анализатора вкупе с шейным остеохондрозом и общей перегрузкой нервной системы на фоне недостаточности физнагрузок. Тики в той или иной степени наблюдаются в течении всего интервью. Хронометраж всех эпизодов не приводится.

04:22-04:25
Очередной прострел в шею и плечо справа после неудачного движения головой. Заметна характерная при невралгических болях резкая смена выражения лица с текущего на вслушивающийся в себя\в болевые ощущения резкое переключение внимания на болевой раздражитель.

05:11-05:18
Из-за интенсивного поворота головы слегка вступило в то же самое место, что потребовало последующих амплитудных поворотов головы до момента нахождения позиции облегчения.

05:37-05:40, 06:48-6:51
Рефлекторный спазм мышц живота и бёдер. Момент натуживания, целью которого является поднять ближе к норме артериальное давление.
Сдвиги кровяного давления происходят и в сторону снижения, и в сторону повышения. Однако в большинстве случаев монотонность труда на фоне дефицита мышечной активности ведёт к развитию гипотензивных состояний. В ряде случаев нервное перенапряжение способствует появлению первичных артериальных гипотоний.
К 8-10 часам ночного сна прибавляются 8-10 часов киберспортивных тренировок. Получаем от ~18 часов неподвижности в сутки.
Однако при статической работе происходит нарушение корреляции между лёгочной вентиляцией и кровоснабжением лёгких вследствие неравномерности дыхания и снижения насыщения крови кислородом. При выполнении работы, требующей тонких ручных операций, человек надолго задерживает дыхание, аналогично тому, как это делает стрелок перед выстрелом, совмещая прорезь прицела с мишенью. В результате в организме развиваются явления кислородного голодания и происходит накопление углекислоты.
В связи с недостаточностью аэробных нагрузок недостаточна и разветвлённость капиллярной сети в тканях (дегенерация капиллярной сети), что ведёт к тканевому кислородному голоданию. Эффект осложнён гипотрофией мышц на фоне хронической гипокинезии, то есть затруднён венозный отток даже имеющегося артериального притока! При любой значимой задержке дыхания например при разговоре гражданин начинает рефлекторно сокращать хоть какие-то мышцы, чтобы хоть как-то разогнать гемодинамику и принести в голодающие ткани кислород.
Центральная нервная система чрезвычайно чувствительна к недостатку кислорода. Одним из частых симптомов горной болезни является неадекватность реакций человека на окружающую обстановку: беспричинное веселье, неуместная обидчивость или повышенная раздражительность. Иногда наблюдается угнетённость настроения, сонливость.
05:41
Стоп-кадр. Очень хорошо видна общая картина профессиональной деформации верхней части тела. Торсионный сколиоз в совокупности с сильным кифозом (а не лордозом!) в поясничном отделе, что приводит, например к блокированию нормальной работы диафрагмы. Кроме того, блок диафрагмы на фоне подавления грудного дыхания мелкомоторными операциями с мышью и клавиатурой приводит к его остановке в принципе. Вместе с тем, длительное позиционирование поясничного отдела в таком положении ведёт к сдавливанию органов брюшной полости и нарушению кровообращения в ней, а также к затруднению перистальтики кишечника. Всё это особенно нежелательно в случае неправильного питания (снэки, чрезмерно длительные перерывы в приёмах пищи) и малоподвижного образа жизни, и приводит к вполне ожидаемым и прогнозируемым проблемам со здоровьем.
Однако, как показывают многочисленные исследования, операторская и вообще умственная деятельность современного человека сопровождается часто чрезмерным эмоциональным напряжением. Эта чрезмерно выраженная эмоциональная напряжённость не находит выхода в мышечной работе, которая эволюционно с ней связана. Здесь нет двигательной разрядки. При частом повторении такая нервно-психическая напряжённость в условиях двигательной ограниченности может вести к снижению эффективности работы и целому ряду заболеваний.
06:32-06:36
Конфликт рефлекса вдоха с вышеописанной адаптацией моторного профиля под болевые атаки. Невралгия не позволяет рефлекторно глубоко вдыхать грудью, т.к. участвуют плечевой пояс и шея, а диафрагма блокирована позой. Наблюдается рефлекторная попытка расправить зажатую грудную клетку, механически увеличив рабочий объём лёгких (набрать воздуха в лёгкие за счёт создания отрицательного давления в грудной полости).

07:04-07:08, 07:52-07:59
Срыв адаптации в застойных тканях таков, что необходимо прямое вмешательство манипулятором.

07:23-07:25
Затруднённый принудительный вдох.

08:42-08:45, 09:33-9:35, 13:10-13:13
Тик левого плеча.

11:16-11:34
Рефлекторная разминка длительно заблокированной позой диафрагмы. Прозвон дыхательной системы.

15:37-15:43
Обсуждают невралгию.

Эпизоды спазмов, тиков и неосознанных натуживаний свидетельствуют о постоянных рефлекторных попытках организма освободиться от навязанного неокортексом режима функционирования, или хоть немного скомпенсировать его. Однако данная тема выходит за рамки этой заметки. Тема шеи и грудного отдела позвоночника уже затрагивалась в ряде более ранних работ и будет по возможности полно рассмотрена в основной работе, посвящённой здоровью оператора ЭВМ.
Спортсмены находящиеся в подобной физической форме не могут стабильно выступать в течении сезона (а программисты программировать) просто в силу своего общего состояния здоровья. У Ишутина же уровень отклонений от физиологической нормы настолько высок, что улавливается непосредственно сознанием не в виде перепадов настроения, вялости и т.п. а в виде конкретных проявлений и симптоматики. Более того, в такой ситуации многочасовые киберспортивные тренировки или работа за компьютером только ухудшат общую физиологическую картину. Результативность и продуктивность будут падать а не расти.

Для наглядности поместим здесь фото одного человека, которого некоторые из читателей, возможно даже, смогут узнать:

image



Один любопытный психологический момент


В качестве сознательных целей озвучены завоевание чемпионского титула и последующая его защита (03:00-03:10), тогда как на подсознательном уровне данная установка вызывает протест (15:05-15:30), который, очевидно, связан как с общей, изрядно накопившейся и не устраняемой, нагрузкой на здоровье, так и с осознанием недочётов в подготовке. Прекрасная иллюстрация того, как общее физическое состояние влияет на психические кондиции. Для любого спортсмена проблемы такого рода являются ключевыми и непосредственно сказываются на профессиональной результативности.

П.С.


9:20
Если такая высокопрофессиональная команда не выдерживает совместные тренировочные сборы необходимой продолжительности это ясно говорит о том, что эти сборы организованы неправильно на многих уровнях и по многим параметрам. Такая ситуация в командных видах спорта нонсенс и говорит либо о некомпетентности тренеров и менеджеров, либо о профессиональной непригодности некоторых игроков.
См. также:
2020 Хрестоматийный случай одного гика</a.
Подробнее..

Нет реальности без боли электронный эквивалент рецепторов кожи человека

11.09.2020 10:13:26 | Автор: admin


Кожа это не только самый большой орган нашего тела, но и самая большая сенсорная система, ежесекундно собирающая информацию о внешних раздражителях и уровнях их воздействия на наш организм. С механической точки зрения, воссоздание кожи человека не является столь сложной задачей, но это будет лишь искусственный защитный слой, лишенный нейронной активности. Ученые из Мельбурнского королевского технологического университета (Мельбурн, Австралия) разработали систему искусственных датчиков, имитирующих различные сенсоры кожи человека. Что потребовалось для создания столь сложной имитации, каков принцип работы устройства, какие раздражители оно способно воспринимать, и где может быть применена данная разработка? Ответы на эти и другие вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Сенсорная система кожи человека может быть разделена на несколько подсистем, каждая из которых отвечает за определенные раздражители. Самыми распространенными и важными считаются рецепторы давления (тельца Пачини), температуры (терморецепторы) и боли (ноцицепторы).

Каждый из этих рецепторов собирает информацию и передает сигналы в мозг человека для обработки и принятия соответствующего решения. Подобный принцип работы и у других сенсорных систем (зрение, слух, вкус, обоняние).

Логично, что подобная биологическая система крайне сложна для воспроизведения, даже при учете современных тактильных сенсоров и КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).

Существуют разработки, в которых реализован искусственный ноцицептор на основе диффузионного мемристора*, который может демонстрировать нормальное состояние, состоящее из напряженной и релаксационной стадии ноцицептора, а также аномальное состояние с аллодинией* и гипералгезией* ноцицептора, использующего внешние стимулы в качестве напряжения.
Мемристор* пассивный элемент в микроэлектронике, способный изменять свое сопротивление в зависимости от прошедшего через него заряда.
Аллодиния* аномальная боль, вызванная раздражителем, который обычно не вызывает болевых ощущений (например боль при легком прикосновении).

Гипералгезия* аномально высокая чувствительность организма к болевым стимулам.
По словам ученых, данные разработки крайне важны, поскольку механизм переключения мемристора зависит от проводящих нитей, которые имеют примерно субнанометровый диаметр. Используя термоэлектрический модуль и пьезоэлектрический модуль давления, можно успешно достичь напряженного и релаксационного состояния среди четырех основных функций ноцицептора.

На данный момент подобная методика используется для создания искусственного глаза, но реализация ее в формате искусственной кожи пока не была достигнута.

В данном труде ученые демонстрируют рабочий прототип искусственных электронных рецепторов, которые имитируют тельце Пачини, терморецептор и ноцицептор. Достичь этого удалось за счет комбинации нескольких функциональных составляющих:

  • мемристор для принятия решений на основе титаната стронция SrTiO3 (STO) с дефицитом кислорода;
  • датчик давления на основе золота на растяжимом эластомере (полидиметилсилоксан, т.е. PDMS);
  • температурный триггер на основе оксида ванадия (VO2) с фазовым переходом.

Основным отличием данной концепции от предыдущих является отсутствие необходимости в отдельных и сложных термоэлектрических модулях и пьезоэлектрических датчиках давления для практической реализации соматосенсоров. Следовательно, в разработке используются исключительно недорогие и легкодоступные тонкие оксидные пленки, а также носимые датчики давления на биосовместимом PDMS.

Результаты исследования


Прежде чем создавать что-либо, необходимо обдумать что и как будет работать в финальном варианте. С целью создания искусственных рецепторов кожи была разработана гипотетическая основа для реализации функциональных телец Пачини, терморецепторов и ноцицепторов (схема ниже).


Изображение 1

Человеческие соматосенсоры через спинные рога (выступы серого вещества) соединены со спинным мозгом, который передает информацию в мозг (). Существуют специальные пути для определения давления (синий цвет на 1a) и температуры (красный цвет на 1a).

Тельца Пачини это слои мембран, заполненных жидкостью. Отпечатки пальцев являются ярким примером тельца Пачини. Когда на тело оказывается местное давление, часть тельца деформируется, вызывая сдвиг химических ионов (например, натрия или калия) и, как следствие, возникает рецепторный потенциал на нервном окончании кожи. Этот рецепторный потенциал при достижении достаточной энергии (порог) генерирует электрический импульс внутри тельца, который проходит через центральную нервную систему, чтобы активировать двигательный ответ через нервные волокна (синий цвет на 1a).

Когда температура кожи поднимается выше 30 C, терморецептор определяет тепло и запускает потенциалы действия. Частота возбуждения увеличивается с увеличением температуры стимула, пока не достигнет значения насыщения. Кроме того, тепловые ноцицепторы, которые улавливают болевые сигналы, начинают срабатывать при температуре около 45 C. Эти клетки специализируются на обнаружении вредоносного тепла и ожогов.

Когда вредоносный стимул получен тепловым нейроном, расположенным на свободном нервном окончании, электрический ответ отправляется ноцицептору, чтобы сравнить, пересекает ли амплитуда стимула пороговое значение для генерации потенциала действия и отправки в центральную нервную систему через спинной мозг (красный цвет на ).

Чтобы создать аналогичные искусственные рецепторы, были использованы датчики давления на основе золота и PDMS, которые переключаются между состоянием низкого сопротивления (LRS) и состоянием высокого сопротивления (HRS) без и с приложенным давлением для имитации тельца Пачини (1b и 1c).

Чтобы воспроизвести поведение терморецепторов и ноцицепторов, использовался фазовый переход VO2, который может переходить от HRS при комнатной температуре к LRS при температуре выше температуры перехода (68 C).

Кроме того, в качестве элемента принятия решений для оценки пороговых уровней была использована резистивная коммутационная память на основе STO (титанат стронция).

Для искусственного тельца Пачини, когда нет определяемого давления, ток через мемристор принятия решения (I1) недостаточен из-за напряжения смещения, чтобы инициировать двигательную реакцию (1b). При приложении давления датчик переходит в режим HRS, блокирующий I2, что позволяет максимальному току проходить через мемристор. Из-за более высокого I1 мемристор на основе STO переключается на LRS. Следовательно, через тельце протекает более высокий ток, вызывающий двигательную реакцию ().

В случае терморецептора и ноцицептора VO2 может демонстрировать изменение сопротивления на три-четыре порядка при температуре перехода. Если же температура ниже температуры перехода, то VO2 является изолятором.

Таким образом, через рецептор протекает незначительное количество тока, а напряжение, которое появляется на мемристоре, недостаточно для его включения (1d). По достижении температуры перехода VO2 переключается на LRS, в результате чего на мемристоре появляется более высокий потенциал, что вызывает его переключение на LRS. Когда и VO2, и STO находятся в LRS, через рецептор протекает повышенный ток (1e).

Искусственное тельце Пачини


После создания концепции будущего устройства ученые приступили к поэтапной реализации. На первом этапе было создание искусственного тельца Пачини, для чего использовался мемристор на основе кислорододефицитного STO со стековой структурой: Pt (100 нм) / Ti (10 нм) / STO (55 нм) / Pt (25 нм) / Ti (7 нм) и подложка SiO2.

Нижний слой Ti используется как адгезионный слой нижнего слоя Pt, а верхний слой Ti используется как резервуар для кислорода, а также как адгезионный слой верхнего слоя Pt. Нижний слой Pt принимает участие в процессе переключения, а вот верхний служит в качестве инертного материала, предотвращающего TiO2 из-за воздействия кислорода окружающей среды.

Архитектура датчика давления вдохновлена биологическим тельцем Пачини, которое имеет спиральную форму с шириной дорожки и зазором 100 мкм. Диаметр всей спирали целиком составляет 7.8 мм. Для создания сенсора на PDMS толщиной 300 мкм был нанесен Au (200 нм) / Cr (20 нм).


Изображение 2

На изображении показан искусственный эквивалент тельца с интеграцией мемристора и датчика давления.

Сеть датчиков давления работает таким образом, что позволяет рецептору активировать мемристор, который работает как компонент принятия решений.

В биологических системах при достижении достаточного рецепторного потенциала компонент принятия решения может создать электрический импульс для активации мотора центральной нервной системы. Чтобы создать реплику этой функции с определенным пороговым значением, от датчика давления требуется восприятие определенного спектра значений давления. Для простоты демонстрации работоспособности системы ученые решили упростить этот момент до всего двух значений: есть сильное давление и давления нет вообще.

Фиксированное сопротивление в 100 кОм было выбрано для ограничения тока, проходящего через сеть датчика давления, которая имеет сопротивление всего 0.6 кОм. Это гарантирует, что система показывает очень низкий ток при отсутствии давления. На изображении 2b показан отклик и повторяемость автономного датчика давления.

При приложении давления датчик давления переходит в очень HRS с сопротивлением около 1 ГОм из-за деформации и трещин, которые очень часто встречаются для датчиков на основе PDMS. Из-за деформаций и трещин характеристики датчика давления могут ухудшиться после многократных циклов, однако это не мешает демонстрации самой концепции искусственного датчика. Когда давление сбрасывается, зазоры из-за трещин снова закрываются, создавая LRS, в результате чего датчик возвращается в исходное состояние.

Подобная картина наблюдается и в биологических датчиках, которые также деформируются, что приводит к сдвигу химических ионов при приложении давления.

Следует отметить, что компонент принятия решения, состоящий из мемристорного элемента на основе STO, должен быть первоначально подвергнут гальванопластике путем приложения напряжения смещения при очень низком токе 1 мкА к верхнему и нижнему электродам. Этот этап создает локализованный канал для образования проводящих нитей через STO. После этого требуется развертка напряжения для переключения устройства между состояниями HRS и LRS.

Важно и то, что без приложенного давления ток, протекающий через мемристор, недостаточен для его переключения. Однако при приложении давления датчик, содержащий ответвление, переходит в состояние HRS, что приводит к максимальному потенциалу рецептора на мемристоре (). При достижении порога рецепторного потенциала мемристор, принимающий решение, переключается из состояния HRS в состояние LRS (). В этом состоянии примененная последовательность 0 +0.85 В 0 1.12 В 0 переключает устройство в состояние LRS для положительного цикла и в состояние HRS для отрицательного полупериода (2d и ).

Чтобы перевести устройство в LRS, учитывается только положительный полупериод. В соответствии с изображением 2d, когда давление не подается, цепь датчика давления имеет общее сопротивление 100.6 кОм, тогда как параллельный компонент принятия решения (мемристор) имеет сопротивление 70 кОм. Таким образом, эквивалентное сопротивление всего тельца Пачини составляет 41.2 кОм.

Это эквивалентное сопротивление пропускает ток всего 0.02 мА через всю цепь, что можно рассматривать как расслабленное состояние. Приложение давления преобразует цепь датчика давления в состояние с чрезвычайно высоким сопротивлением 1 ГОм, в то время как сопротивление мемристора составляет всего около 2.5 кОм, изменяя эквивалентное сопротивление всего тельца Пачини примерно на 2.5 кОм. Это низкоомное состояние допускает ток 0.35 мА по всей цепи.

Таким образом, стимул давления генерирует ответный сигнал, который почти на 18 раз выше, чем в расслабленном состоянии, что может позволить центральной нервной системе инициировать свой двигательный ответ. После того как двигательная реакция завершена, для инициализации тельца Пачини можно применить обратную полярность к мемристору, используя неиспользованные электроды.

Искусственный терморецептор


Для создания терморецептора в основе мемристора была использована такая же стек-структура, как и для тельца Пачини, т.е. металл-изолятор-металл (МИМ).


Изображение 3

Часть верхнего электрона использовалась совместно с поверхностью VO2 (3а и 3b) для последовательного подключения теплового датчика. Для смещения всего устройства этот электродный слой, состоящий из Pt (100 нм) / Ti (10 нм), был нанесен на поверхность VO2. Между исходным электродом и верхним электродом мемристора поддерживалось существенное расстояние в 100 мкм.

На изображении показана схема подключения терморецептора, в которой смещение приложено через металл к тепловому датчику, а земля (GND на схеме) подключена к нижнему электроду мемристора, принимающего решение.

График 3d показывает кривую зависимости сопротивления от температуры для перехода диэлектрикметалл на тонкой пленки VO2. Очевидно, что при достижении температуры перехода наблюдается падение удельного сопротивления на четыре порядка. Очевидный тепловой гистерезис также наблюдается в циклах нагрева и охлаждения. Также было установлено отсутствие какого-либо заметного влияния температуры на резистивное переключение ().

Мемристор может показывать изменение сопротивления от 100 кОм до 2 кОм в процессе переключения. Однако для более понятного анализа было решено рассматривать сопротивление состояния HRS как 93 кОм, а сопротивление состояния LRS как 9 кОм при 80 мВ напряжения считывания (VREAD), так как при этом напряжении наблюдается максимальное отношение переключения ROFF / RON. Последовательность переключения напряжения готового автономного устройства составила: 0 +0.65 В 0 0.80 В 0. Когда та же последовательность применяется ко всему терморецептору, сопротивление уменьшается, и, следовательно, ток рецептора увеличивается с повышением температуры (3f).

Чтобы обеспечить необходимое коммутируемое напряжение, температура приемника поддерживалась на уровне 70 C. Это необходимо для гарантии того, что VO2 находится в состоянии LRS. Затем приложение напряжения смещения от 0 до 2 В полностью устанавливает и сбрасывает устройство ().


Изображение 4

Для мемристора, принимающего решение, исходное сопротивление 93 кОм намного ниже, чем HRS теплового датчика, которое составляет 11 МОм. Таким образом, частичное напряжение, которое появляется на мемристоре, принимающем решение, не может достичь порогового значения VSET для преобразования его из HRS в LRS. Следовательно, и термодатчик, и мемристор находятся в состоянии HRS, что позволяет минимальному току протекать через терморецептор [4b(i)].

Когда применяется критическая температура 70 C, сопротивление термодатчика уменьшается на четыре порядка, а частичное напряжение мемристора постепенно увеличивается до напряжения SET с увеличением отклика рецептора [4b(ii)]. Как только VSET включает мемристор, он переходит в LRS от HRS с сопротивлением 9 кОм [4b(iii)].

На этом этапе формируется максимальный рецепторный ответ. LRS памяти будет сохраняться в течение длительного времени, даже если тепловой стимул полностью отключен. Чтобы перепрограммировать мемристор, отрицательное напряжение VRESET может перевести его с LRS в HRS [4b(iv)]. Для этого можно подавать отрицательное напряжение от неиспользуемых электродов ().

Искусственный ноцицептор


Можно с уверенностью сказать, что ноцицепторы значительно отличаются от своих собратьев. Ноцицепторы имеются по всему человеческому телу и расположены на конце аксона сенсорного нейрона.

Чтобы избежать воздействия вредоносных раздражителей, ноцицептор реагирует двумя способами: нормальными и анормальными.

В нормальных условиях, когда нерв, оканчивающийся на коже, получает вредоносный стимул, ответный сигнал отправляется ноцицептору, чтобы сравнить, превышает ли сигнал определенное пороговое значение, и решить, требуется ли генерировать потенциал действия для центральной нервной системы. В этом нормальном состоянии ноцицептор медленно отключается на время, известное как процесс релаксации. Используя этот порог и процесс релаксации, ноцицептор изолирует тело от любого нежелательного критического и непрерывного воздействия раздражителей.

Анормальный ответ возникает, когда организм сталкивается со стимулами, близкими к порогу повреждения ноцицептора, и в этом состоянии ноцицептор работает как обычный рецептор, чтобы избежать дальнейшего повреждения. Если же травма все же была получена, то уязвимость пораженной ткани возрастает. Ноцицептивная система адаптируется к этой повышенной уязвимости, локально понижая ноцицептивный порог и облегчая ноцицептивный ответ, тем самым обеспечивая адекватную защиту тканей.

Ноцицептор демонстрирует два различных поведения в анормальных условиях: аллодиния и гипералгезия.

Аллодиния дает ответный сигнал при нижнем пороговом значении, тогда как гипералгезия создает более сильный ответный сигнал при превышении порогового значения, указывая на то, что при аномальном состоянии порога для ноцицептора нет.

Для наблюдений за поведением искусственного терморецептора в нормальных условиях, который работает как ноцицептор во время вредоносных стимулов, устройство было переключено на LRS, а показания считывались при VREAD80 мВ.

Поскольку срабатывание биологического ноцицептора в значительной степени зависит от интенсивности стимула, на искусственный ноцицептор воздействовали серией температурных стимулов с различной интенсивностью в диапазоне от 66 до 82 C (5a).


Изображение 5

График 5b демонстрирует ответный сигнал относительно интенсивности приложенного теплового стимула. Следует отметить, что ноцицептор не включается, пока температурный импульс не достигнет 68 C, что является температурой перехода используемого VO2. Таким образом, когда VO2 попадает в LRS из-за температурно-индуцированного перехода, более высокий ток начинает течь по всей цепи. Подобное повеление напоминает биологические системы, в которых ноцицептор генерирует запускающий мозг потенциал действия, когда сила стимула достигает значений выше критического.

Дальнейшее увеличение интенсивности стимула выше порогового значения приводит к большему току, что также согласуется с реакцией биологического аналога: чем выше интенсивность стимула, тем выше интенсивность ответной реакции. На графике 5c показаны стимулы нагрева и охлаждения и соответствующий ответный сигнал при 68 C.

График 5d показывает ослабление ответного сигнала с течением времени после того, как вредоносный стимул был отключен, т.е. процесс релаксации, который определяется VO2, так как нет влияния температуры на мемристор на основе STO.

Из-за тенденции к увеличению сопротивления VO2 по мере снижения температуры с течением времени искусственный ноцицептор ограничивает ток через цепь, и, следовательно, наблюдается уменьшение интенсивности ответных сигналов.

Более сильный ответный сигнал из-за более высоких стимулов требует относительно большего времени для полной релаксации. Например, ответному сигналу при 68 C требуется 100 с, чтобы достичь базового тока в 0.5 мкА, тогда как ответный сигнал при 80 C не может полностью релаксировать за 100 с.

Для наблюдения за поведением устройства в анормальных условиях, к искусственному ноцицептору был применен стимул, интенсивность которого была гораздо выше, чем в нормальных условиях.

Ноцицептор нагревали до 90 C со скоростью 20 градусов в минуту и охлаждали до 60 C, что ниже порогового значения (68 C) в нормальных условиях.

Далее следовал повторный нагрев с 60 до 90 C, необходимый для определения наличия/отсутствия генерации пониженного порога и усиленного ответа, которые являются основными свойствами аллодинии и гипералгезии.

Последовательность 60 90 60 90 применялась к VO2 части рецептора и ко всему рецептору, содержащему VO2 и стек металл-изолятор-металл ().


Изображение 6

На графиках отчетливо видно, что ответный сигнал намного более линейный в VO2 () по сравнению с сигналом всего ноцицептора (6b). Это вполне ожидаемо, так как при высокой интенсивности стимула VO2 находится в почти металлическом состоянии с относительно низким сопротивлением 5 кОм после перехода. Более того, приложенное напряжение смещения VREAD (80 мВ) электрически настраивает VO2, чтобы сделать его еще более металлическим, что приводит к линейному отклику.

В то же время, когда подобное смещение VREAD появляется на всем ноцицепторе, максимальное падение напряжения происходит на мемристоре, который находится в состоянии LRS (9 кОм). На этом этапе напряжения на VO2 недостаточно, чтобы показать линейный отклик. Следовательно, данное поведение является нелинейным.

На схеме показано поведение при аллодинии и гипералгезии. В биологической системе интенсивность ответа выше в аномальном состоянии для подпороговой (аллодиния) и сверхпороговой (гипералгезия) интенсивности стимула.

На 6d показан отклик по отношению к двум циклам нагрева последовательности с последовательностью 60 90 60 90 C. Тут видно, что отклик для второго цикла нагрева усиливается, а порог снижается.

В поведении искусственного рецептора четко видны аллодиния ниже пороговой интенсивности и гипералгезия выше пороговой интенсивности (70 C). Из этого следует, что снижая порог и усиливая интенсивность ответа, ноцицептор активирует и усиливает защитные реакции, такие как отстранение или избегание острых болезненных стимулов.


Демонстрация принципа работы электронного эквивалента тельца Пачини.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Мозг человека является одной из самых сложных биологических систем. Но нельзя отрицать и того факта, что кожа человека не менее сложна, особенно учитывая немалый список выполняемых ею функций.

Воссоздать некоторые из функций кожи в искусственном эквиваленте не сложно, но вот касательно рецепторов, собирающих информацию об окружающей среде, так сказать не получится.

Тем не менее, ученым все же удалось достичь некоторых результатов в создании искусственных рецепторов, улавливающих давление, температуру и боль.

Как заявляют авторы сего труда, их устройство способно различать легкое прикосновение и, например, укол иглы. На первый взгляд, это весьма банальные вещи, однако ранее такой точности не было в электронных рецепторах.

В будущем ученые, естественно, намерены продолжить свой труд, дабы расширить спектр воспринимаемых внешних стимулов, что позволит сделать их устройство еще более точным. Подобные разработки однозначно найдут свое применение не только в протезировании, но и даже в робототехнике.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru