Нервы

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 (1а). 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 1а).

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 (1с).

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 2а 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 (1с). При достижении порога рецепторного потенциала мемристор, принимающий решение, переключается из состояния HRS в состояние LRS (2с). 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 2е).

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 3с 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 (3е).

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 (V_READ), так как при этом напряжении наблюдается максимальное отношение переключения R_OFF / R_ON. 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 (4а).


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 (3с).

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 V_READ80 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 (6а).


Изображение 6

На графиках отчетливо видно, что ответный сигнал намного более линейный в VO₂ (6а) 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 V_READ 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 6с 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?

Человеческий организм может испытывать целый спектр неприятных ощущений. Если говорить про боль, то она бывает тянущая, режущая, давящая, пекущая, тупая, острая и т.д. Видимо ни для какого другого чувства нет столько эпитетов, сколько для боли. И все это вполне обосновано, ибо органов у нас много, и каждый из них по-разному сигнализирует наш мозг о возникшей проблеме. Посему боль можно уверенно назвать полезным, хоть и неприятным, аспектом жизнедеятельности. Однако порой сложно понять не столько источник боли, сколько механизм ее возникновения. Ученые из медицинского института Ховарда Хьюза (США) решили выяснить, почему наши зубы способны испытывать боль, причиной которой является холод. Что отвечает за восприятие холода в зубах, и каков механизм этого восприятия? Ответы на эти вопросы мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

В спектре болевых ощущений есть и куда более сильная боль (например, роды или почечная колика), тем не менее зубную вряд ли когда-нибудь приравняют к укусу комарика. Для некоторых людей одна лишь мысль про зубную боль вызывает искривление лицевых мышц в соответствующую гримасу. Что уж говорить про стоматологов, которых многие незаслуженно недолюбливают, ассоциируя их с болью. Любопытный факт: композитор знаменитой игры Silent Hill Акира Ямаока использовал звуки бормашины в своих композициях, чтобы игрок подсознательно ассоциировал мелодию с чем-то плохим/неприятным/болезненным. Но вины докторов в том, что наши зубы болят, нет (чаще всего).

Причиной возникновения неприятных ощущений могут быть механические травмы, физиологические изменения, влияние окружающей среды, пища, вредные привычки и т.д. Одной из распространенных стоматологических проблем является чувствительность зубов. Человек испытывает болевые ощущения при употреблении в пищу чего-то горячего или холодного. Кто-то ест мороженое, впиваясь в него зубами, словно волк в добычу, а кто-то готов отказаться от этой сладости полностью, лишь бы не испытывать боль.


Строение зуба человека.

Но чувствительность к холоду не возникает просто так. Чаще всего причиной тому является нарушение целостности дентина, т.е. твердой ткани зуба, вызванное кариесом. По словам ученых, в мире насчитывается порядка 2.4 миллиарда человек с кариесом зубов.

Во время развития кариеса бактериальная биопленка на поверхности зуба в сочетании с ферментируемыми углеводными субстратами вызывает деминерализацию и, в конечном итоге, разрушение зубов. Такой зуб становится чувствителен к холоду, что воспринимается как кратковременная острая невралгическая боль.

Рассматривая зуб с точки зрения функциональной анатомии, ученые приписывают механо- и ноцицептивные функции сплетению Рашкова (совокупность нервных окончаний), расположенному в пульпе* зуба.

Пульпа зуба* соединительная ткань, заполняющая полость зуба, с большим количеством нервных окончаний, кровеносных и лимфатических сосудов.

При этом есть гидродинамическая теория Бреннстрема, где преобразование тепловых и других физических стимулов для активации дентинных нервных окончаний приписывается механосенсорному процессу, индуцированному гидродинамикой.

Согласно этой теории дентинные микроканалы действуют как гидравлическое звено между физическим стимулом и нервными окончаниями, которые расположены на стыке пульпы и дентина. Однако до сих пор нет никаких экспериментальных доказательств этой теории. Поиски ответа на вопрос, что активирует ощущение холода в зубах, продолжались много лет, но без особых результатов.

Авторы рассматриваемого нами сегодня исследования решили подойти к решению этой задачи под другим углом. Определенные подтипы ионных каналов с переходным рецепторным потенциалом (TRP от transient receptor potential) сильно активируются при охлаждении, действуя как молекулярные сенсоры в коже и слизистых оболочках, где они деполяризуют нервные окончания, вызывая потенциалы действия. В коже TRPM8 и TRPA1 действуют синергетически и представляют собой основные датчики снижения температуры окружающей среды.

мРНК и белок TRPM8 и TRPA1 присутствуют в высокой плотности в тройничном ганглии (TG от trigeminal ganglion) и в сенсорных аксонах пульпы зуба. Кроме того, культивируемые одонтобластоподобные клетки человека и культивированные фибробласты пульпы зуба демонстрируют увеличение внутриклеточного кальция в ответ на холод, что частично объясняется их TRPA1 и TRPM8 каналами.

Однако физиологическое значение наблюдаемой холодовой трансдукции в одонтобластах и фибробластах до сих пор неясно, так как вклад TRPA1 и TRPM8 в вызванную холодом зубную боль в живом организме не был обнаружен.

В своих предыдущих работах ученые отмечали, что TRPC5 чувствителен к холоду в гетерологичных системах экспрессии, и его распределение в нейронах тройничного и дорсального корешков малого и среднего размера, а также в поверхностных пластинках спинного дорсального рога типично для датчиков, участвующих в измерении температуры и ощущении боли. Основной задачей исследования стала попытка понять роль ионных каналов TRPA1, TRPM8 и TRPC5 в ощущении холода зубами.

Результаты исследования

Чтобы оценить ионные каналы холодовой трансдукции для зубной боли, была использована установленная модель повреждения пульпы зуба (DPI от dental pulp injury) у мышей без TRPC5, TRPA1 и TRPM8. Основным признаком болезненного DPI у мышей является увеличение потребления сахарозы. Снизить потребление сахарозы можно было посредством введения противовоспалительного анальгетика индометацина.


Изображение 1

Было установлено, что DPI приводит к трехкратному увеличению потребления воды с 5% сахарозы при комнатной температуре (график выше).

У мышей TRPA1 -/- и TRPM8 -/- повреждение пульпы вызывало примерно одинаковое увеличение потребления сахарозы, но у мышей TRPC5 -/- потребление со временем нормализовалось, аналогично эффекту индометацина. Это указывает на то, что TRPC5 обладает чувствительностью к холоду.


Изображение 2

Чтобы обеспечить функциональное исследование всей сенсорной системы зуба, был использован интактный препарат (образец) нижнего альвеолярного нерва (нижнечелюстного нерва) мыши (схема выше). Такой образец позволяет регистрировать распространяемые потенциалы действия от нижнего альвеолярного нерва до сенсорных стимулов в нижнечелюстном резце и молярах, аналогично записи от ноцицепторов подкожного нерва с рецептивными полями в коже.


Схема расположения зубов правой половины нижней зубной арки.

Когда челюсть подвергалась воздействию холода, наблюдались большие отклики от 10% A- и C-волокон. Нейроны рецепторов холода в зубах генерировали 114 15 потенциалов действия на холодный стимул с пиковой частотой возбуждения 43 5 в секунду.

А-волокна* тип нервных волокон в классификации по скорости проведения нервного импульса, отвечающий за температуру, быстрое проведение боли. С-волокна* медленное проведение боли.

Изображение 3

Эти значения намного превышают холодовые реакции ноцицепторов кожи мыши (16 2 потенциала действия и частота срабатывания 3 1 в секунду; 3B и 3C). Пороги ноцицепторов пульпы зуба были 19 1 C, что на 2 C ниже, чем у холодовых ноцицепторов в коже (кожный порог ноцицепторов = 21 1 C; 3D). По этим параметрам между А- и С-волокнами каких-либо отличий в реакции замечено не было.

При препарировании челюстного нерва TRPC5-блокаторы HC-070 и ML204 эффективно устраняли холодовые реакции некоторых ноцицепторов зубов и в среднем снижали холодовые реакции на 59 13%. (4A и 4B). ML204, который также блокирует каналы TRPC4 и TRPC3, не действует на TRPC5 -/- мышей. Следовательно, TRPC3 и TRPC4 не участвуют в качестве гомомерных каналов в холодовых реакциях. Во всех волокнах, на которые не подействовал блокатор HC-070, остаточные холодовые реакции были устранены посредством TRPA1-блокатора HC-030031 (97 2%; 4A и 4B).


Изображение 4

Также было обнаружено, что в препаратах челюстного нерва от TRPC5 -/- мышей количество холодных ноцицепторов снижалось примерно наполовину (4C).

Важным наблюдением было то, что хотя оставшиеся ноцицепторы TRPC5 -/- зубов имели неизменную величину ответа, они имели более высокие пиковые скорости возбуждения, чем любой другой штамм (116 34 потенциала действия, скорость разряда 66 8 в секунду) и активировались при высоких пороговых температурах (22 1 C; 4E-4G). Хотя в коже мышей большинство холодовых реакций связано с TRPM8, холодовые реакции зубов оказались нечувствительными к фармакологической эквивалентам TRPM8.

Из этих опытов следует, что именно TRPC5 и TRPA1 играют важную роль в чувствительности зубов к холоду. Из этого следует вопрос необходимы ли какие-либо специфические анатомические особенности, чтобы TRPC5 и TRPA1 реагировали на холод, или они будут реагировать даже в изолированных клетках?

В поисках ответа на этот вопрос ученые обратили свое внимание к зубным первичным афферентным нейронам (DPAN от dental primary afferent neurons), которые являются клетками сенсорных окончаний в верхнечелюстном сплетении Рашкова. Культивированные в лаборатории DPAN были проверены на предмет изменений в [Ca²⁺], вызванных холодом или химической реакцией на агонист* TRPM8 ментол, агонист TRPA1 карвакрол, агонист TRPC5 рилузол и антагонист* ML204.

Агонист* химическое соединение, которое при взаимодействии с рецептором меняет его состояние, т.е. приводит к отклику.

Антагонист* соединение, которое блокирует, снижает или предотвращает физиологические эффекты, вызываемые связыванием агониста и рецептора.

Из всех DPAN было обнаружено порядка 17% чувствительных к холоду нейронов. Из них 74% были чувствительны к ментолу и 57% к карвакролу, но только один нейрон (< 1%) показал реакцию на агонист TRPC5 рилузол (5A и 5B).


Изображение 5

Поскольку ментол и карвакрол не обладают высокой специфичностью и могут активировать и TRPM8, и TRPA1, в ходе проверки также были использованы DPAN, полученные из штаммов без TRPC5 и TRPM8 (TRPC5/M8-DKO) или без TRPC5 и TRPA1 (TRPC5/A1-DKO).

DKO* двойной нокаут гена, когда из организма удаляют или деактивируют два определенных гена.

В DPAN, полученных от мышей TRPC5/M8-DKO, < 5% DPAN оставались чувствительными к холоду. Эти оставшиеся DPAN были в первую очередь чувствительны к ментолу и карвакролу, что указывает на активацию TRPA1 холодом.

В DPAN, полученных от мышей TRPC5/A1-DKO, 20% клеток были чувствительны к холоду. Из них 75% были чувствительны к ментолу и, следовательно, зависимы от TRPM8 (5A и 5C).

Из этого следует, что большинство DPAN используют TRPM8 для холодовых реакций, в то время как немногие нейроны полагаются на TRPA1 для независимых холодовых реакций.

Определив участников холодовой трансдукция, необходимо было определить, где она происходит. Транскриптомный анализ DPAN идентифицировал Trpm8 и Trpa1, в то время как Trpc5 был ниже порога обнаружения (6A).


Изображение 6

Тем не менее TRPC5 был дополнительно визуализирован и количественно оценен посредством многофотонной микроскопии TG мышей. Было идентифицировано 3.5% TRPC5+ DPAN (6B). В культивируемых TRPC5+ нейронах тройничного нерва была обнаружена типичная для TRPC5 вольт-амперная характеристика (6C).

Эти данные демонстрируют, что TRPC5 присутствует в сенсорных нейронах, хотя при здоровых зубах холодовые реакции TRPC5 слабо выраженные и редкие.

Остается понять, как возникает ответная реакция на холод в случае здоровых (т.е. неповрежденных) зубов. Когда ученые исследовали TRPC5 в коренных зубах мышей, они обнаружили TRPC5 практически во всех преддентильных одонтобластах* в пульпе зуба, прилегающей к корню.

Одонтобласт* клетка, развивающаяся из мезенхимы зубного сосочка и участвующая в образовании дентина зубов и в его обызвествлении.

Изображение 7

Отростки TRPC5-положительных одонтобластов в дентинных канальцах контактировали с сенсорными аксонами в интерфейсе пульпа-дентин и поднимались в тесной связи в дентинные канальцы. При этом TRPC5 не было обнаружено в фибробластах пульпы или в сенсорных аксонах, происходящих из альвеолярных нервов и исходящих через корень в нервное сплетение Рашкова или в нижний альвеолярный нерв (изображение 7 и видео ниже). Из этого следует, что TRPC5 по большей степени располагается в слое клеток одонтобласт, в отличие от более распространенных TRPM8 и TRPA1.


Видео 1


Видео 2

В заключение ученые решили проверить свои находки на человеческих зубах. В результате в здоровых зубах, удаленных по ортодонтическим или косметическим причинам, в одонтобластическом слое был найден TRPC5. В сенсорных нервах на интерфейсе пульпа-дентин и в дентинных канальцах было обнаружено больше TRPC5, чем TRPM8.


Изображение 8

Кроме того, была обнаружена часть дентинных (тип IV) TRPC5+ волокон, проходящих внутри дентинных канальцев в предполагаемом месте сенсорной трансдукции (8A-8E).

Предыдущие исследования показали, что TRPM8 снижается в аксонах гиперчувствительных к холоду зубов человека. Сравнение TRPC5 с TRPM8 в воспаленных человеческих зубах с пульпитом показало, что экспрессия сенсорного нерва TRPC5 заметно увеличилась, тогда как TRPM8 снизилась. TRPC5 распространялся на дегенерирующий дентин и весь корень зуба, где был обнаружен значительно более высокий процент TRPC5+ пульпы и волокон корня (8F-8I).

Более высокий процент TRPC5 в пульпитных зубах и присутствие дентинных волокон в нормальных и дегенерирующих дентинных канальцах предполагает, что TRPC5 выполняет функцию датчика холода в зубах человека.

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

Эпилог

Зубы человека это единственная часть тела, которая не может регенерировать. Печень, скелет и даже нервные клетки, как показали недавние исследования, могут восстанавливаться со временем. Да, этот процесс очень долгий и не всегда приводит к стопроцентному восстановлению, однако он есть, чего не скажешь про зубы.

Ввиду этого больные зубы являются одной из самых распространенных медицинских проблем в мире. Следовательно, изучение зубов позволяет лучше их лечить. Однако это не самое простое занятие. К примеру, для изучения движения жидкостей внутри зуба его необходимо разрезать. А для этого необходимо преодолеть эмаль (самую прочную ткань тела человека) и дентин (тоже весьма прочный слой зуба), при этом не нарушив целостность пульпы, кровеносных сосудов и нервов.

Несмотря на такие сложности, исследования продолжаются. В рассмотренном нами сегодня труде ученые уделили особое внимание ионному каналу TRPC5. Еще 15 лет тому назад они установили, что он чувствителен к холоду, но не знали, где именно в теле человека он задействован. Сначала предполагалось, что дело в коже, но это оказался тупиковый вариант. Тогда ученые сконцентрировали свое внимание на другой части тела, способной чувствовать холод, на зубах.

И это было верное направление, так как в зубах была обнаружена активность TRPC5. Особенно это заметно на зубах с кариесом. В ходе опытов был использован новый метод исследования зубов на примере мышей. Вместо того, чтобы вскрывать зуб, ученые рассматривали челюсть целиком (кость, зубы и нервы). Когда на зубы мышей воздействовал холодный раствор, нервная активность возрастала. Однако у мышей, лишенных TRPC5, подобной реакции не наблюдалось. Ученым также удалось отследить TRPC5 до одонтобласт, т.е. клеток между пульпой и дентином. Так что, когда вы кусаете мороженое, а ваши зубы отвечают на это острой болью, можете быть уверены в том, что ваш дентин поврежден.

Сейчас многие ученые сосредоточены на изучение мозга, сердца или других жизненно важных органов. Зубы же не получают столько внимания, хотя заслуживают его не меньше других, ведь здоровье зубов может напрямую или косвенно повлиять на здоровье всего организма.

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 Maincubes 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?