Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Синапсы

Перевод Как воспоминания переживают ампутацию, метаморфозы, и передаются через инъекции

04.11.2020 14:09:33 | Автор: admin

Если безголовый червь может заново отрастить память, тогда где же она хранится? А если память может восстанавливаться, можно ли её перенести?

Изучение памяти всегда было странной темой, стоявшей в науке особняком. В 1950-е годы никому не известный профессор психологии Джеймс Макконнел из Мичиганского университета попал в заголовки газет (став в итоге чем-то вроде знаменитости), проведя серию экспериментов над планариями пресноводными плоскими червями. Они восхищали Макконнела не только потому, что обладали, по его словам нервной системой истинно синаптического типа. Также они имели невероятные способности к регенерации. При лучшем раскладе можно разрезать червя на множество частей, до 50 штук, и каждая из них восстановится в нетронутый и полностью функционирующий организм.

В ранних экспериментах Макконнел обучал червей на манер Павлова, комбинируя удары током с мигающим светом. В итоге черви начали реагировать на один только свет. А потом, когда он разрезал одного из червей пополам, случилось нечто интересное. Голова одного из них отрастила хвост, и по понятным причинам сохранила воспоминания об обучении. Удивительно, что хвост, отрастивший голову и мозг, тоже сохранил память об обучении. Но если безголовый червь может заново отрастить память, тогда где же она хранится, задумался Макконнел. А если память может восстанавливаться, можно ли её перенести?

Возможно. Шведский нейробиолог Хольгер Хюден в 1960-е предположил, что память хранится в клетках нейронов, а конкретно в РНК вспомогательной молекуле, получающей инструкции от ДНК и связывающей рибосомы вместе для создания белков строительных кирпичиков жизни. Макконнел, заинтересовавшись работами Хюдена, попытался установить наличие гипотетической молекулы, которую он назвал РНК памяти, прививая части тел обученных планарий на тела необученных. Он пытался передать РНК от одного червя к другому, но столкнулся с трудностями с приживанием привитых частей. В результате он перешёл к более зрелищному типу передачи тканей проглатыванию. Планарии удачно оказались каннибалами, поэтому Макконнелу оставалось лишь размалывать обученных червей и скармливать их необученным. У планарий нет кислот и ферментов, полностью разрушающих еду, поэтому он надеялся, что некоторые РНК смогут интегрироваться в едоков.

Невероятно, но Макконнел сообщил, что поглощение обученных червей приводило к появлению новых знаний у необученных. В других экспериментах он обучал планарий проходить через лабиринты, и даже разработал технологию извлечения РКН у обученных червей, чтобы вводить её в необученных для передачи воспоминаний от одного животного к другому. В 1988 году Макконнел ушёл на пенсию, и постепенно пропал с радаров, а его работы были преданы забвению, и сохраняются где-то на полях учебников в качестве забавной поучительной истории. Многие учёные просто предположили, что беспозвоночных типа планарий обучать нельзя, и отмахнулись от работ Макконнела. Некоторые работы Макконнел публиковал в собственном журнале Worm Runners Digest [что-то типа Вестника гоночного червя, при том, что слово digest переводится и как сборник, вестник, и как переваривать пищу / прим. перев.] вместе с научно-фантастическим юмором и комиксами. В итоге особого интереса к воспроизведению его экспериментов не наблюдалось.

Тем не менее, в последнее время работы Макконнела начали активно оживать. Их подхватывают инновационные учёные например, Майкл Левин, биолог из университета Тафтса, специализирующийся на регенерации конечностей. Он воспроизвёл эксперименты по обучению планарий поиска выхода из лабиринта в модернизированном и автоматизированном варианте. Планарии тоже обрели новую популярность после того, как Левин отрезал у червя хвост и подал на срез биоэлектрический ток, в результате чего червь отрастил вместо хвоста ещё одну голову. Левин впоследствии получил за это забавное прозвище молодой Франкенштейн. Также Левин отправлял 15 кусочков червя в космос, один из которых неожиданно вернулся с двумя головами. Левин с коллегами писали: удивительно, что после повторного разрезания этого червя в воде он вновь дал фенотип с двумя головами.

Дэвид Гланцман, нейробиолог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, ведёт ещё одну многообещающую исследовательскую программу. Недавно она живо напомнила эксперименты Макконнела с памятью хотя вместо планарий Гланцман использовал аплизий, моллюсков, любимых нейробиологами из-за относительно простой нервной системы. Аплизии, которых также называют морскими зайцами это гигантские морские слизняки, выбрасывающие чернильную жидкость, и плавающие при помощи кружевных волнообразных крыльев.

В 2015 году Гланцман проверял теорию памяти, описанную в учебнике: память хранится в синапсах, соединяющих нейроны. Его команда пыталась создавать и стирать память аплизии, периодически ударяя моллюска электрическими разрядами. Целью было заставить его продлить рефлекторное движение втягивания сифонообразной дыхательной трубочки, расположенной между жабрами и хвостом. После обучения учёные увидели, как между сенсорным нейроном, воспринимающим прикосновения, и моторным нейроном, запускающим втягивание трубочки, появились новые синапсы. Увеличившееся после обучения количество связей между нейронами, казалось, подтверждало теорию хранения памяти в синаптических связях. Команда Гланцмана попыталась стереть эту память, разрушив синаптические связи между нейронами. После того, как члены команды Гланцмана напомнила моллюскам об обучении очередным разрядом, они с удивлением обнаружили, как между нейронами вырастают новые, другие синаптические связи. После этого моллюски вели себя так, будто они помнят сенсибилизирующее обучение, которое ранее вроде бы забыли.

Синаптические связи, появившиеся в результате обучения, исчезли, а на их месте выросли новые, и совершенно другие. Гланцман подумал: если память сохранилась после такого изменения в синапсах, то, возможно, память вообще хранится не в них. Эксперимент напомнил сюжет из фильма "Вечное сияние чистого разума", где бывшие любовники в попытке забыть друг друга проходят через сомнительную процедуру стирания памяти, но оказывается, что она исчезает не бесследно. Где-то в глубине сознания они хранят план: встретиться в Монтоке. Фильм как бы говорит, что память никогда не исчезает бесследно, что всегда можно вернуться назад, даже к вроде бы уже забытым людям и местам.


Несмотря на причудливо карикатурное изображение науки, связанной с памятью, фильм Вечное сияние, возможно, наткнулся на правильную гипотезу

Но если воспоминания не хранятся в синаптических связях, где они хранятся? Непопулярная гипотеза Гланцмана состоит в том, что они могут храниться в ядрах нейронов, где последовательности ДНК и РНК составляют инструкции жизненным процессам. Последовательности ДНК фиксированы и не меняются, поэтому большая часть адаптируемости организма заключена в гибких эпигенетических механизмах. Это процессы, управляющие экспрессией генов в ответ на стимулы окружающей среды иногда с участием РНК. Если представить ДНК в виде нотных тетрадей, то эпигенетические механизмы, идущие посредством РНК это импровизационные вставки и аранжировки; именно они могут заниматься обучением и запоминанием.

Может быть, воспоминания живут в эпигенетических изменениях, вызванных РНК этой импровизационной молекулой, создающей белковые адаптации жизни. Команда Гланцмана вернулась к своим аплизиям и два дня обучала их продлять рефлекс втягивания трубочки. Затем они разрезали их нервные системы, извлекли РНК, занимавшиеся формированием памяти об обучении, и ввели их необученным аплизиям, которых испытали на следующий день. Команда Гланцмана обнаружила, что РНК от обученных доноров вызвала обучение, а РНК от необученных никак не повлияла на поведение моллюсков. Они перенесли память, частично, но совершенно определённо, от одного животного другому. И у них есть убедительные свидетельства того, что за перенос отвечала РНК.

Теперь Гланцман считает, что синапсы нужны для активации памяти, но сама она кодируется в ядре нейрона посредством эпигенетических изменений. Это как пианист без рук, говорит Гланцман. Он знает, как играть Шопена, но для реализации этих воспоминаний ему нужны руки.

Ту же картину рисует работа Дугласа Блакистона, учёного из Алленовского центра открытий при университете Тафтса, изучавший память у насекомых. Ему хотелось узнать, сможет ли бабочка вспомнить что-либо из своей жизни в виде гусеницы, поэтому он подвергал их воздействию этилацетата, за которым следовал удар током. Приобретя отвращение к этилацетату, гусеницы окуклились, и после вылупления взрослых бабочек через несколько недель их проверили на наличие памяти. Удивительно, но взрослые бабочки вспомнили всё но как? Ведь гусеница, перед тем, как превратиться в бабочку, становится супом из цитоплазмы. Преображение получается катастрофическим, говорит Блакистон. Ведь мы переходим от ползающей машины к летающей. Не только тело, но и весь мозг перестраивается.

Довольно сложно изучать, какие именно процессы идут в организме во время окукливания. Однако подмножество нейронов гусеницы может сохраняться в т.н. грибовидных телах паре структур, отвечающих за обоняние, которые у многих насекомых располагаются рядом с антеннами. Иначе говоря, часть структуры сохраняется. Это не суп, говорит Блакистон. Ну, в принципе, суп, но с кусочками. Во время окукливания нейроны почти полностью удаляются, а оставшиеся полностью отрезаются от всех остальных. Синаптические связи рассасываются, а потом соединяются с другими нейронами во время преобразования в мозг бабочки. Блакистон, как и Гланцман, приводит аналогию с руками: Будто бы нейроны из небольшой группы держались за руки, а потом отпустили друг друга и начали двигаться, после чего соединились с другими нейронами в новом мозге. Если память где и хранилась, то Блакистон считает, что она хранилась в подмножестве нейронов, расположенном в грибовидных телах единственный из известных материалов, передаваемых от гусеницы к бабочке.

В итоге, несмотря на причудливо карикатурное изображение науки, связанной с памятью, фильм Вечное сияние, возможно, наткнулся на правильную гипотезу. Во-первых, Гланцман и Блакстон считают, что в их экспериментах таятся хорошие новости для страдающих от болезни Альцгеймера. Во-вторых, возможно, получится восстанавливать разрушенные нейронные связи, чтобы нейроны смогли найти обратную дорогу к потерянным воспоминаниям возможно, под руководством подходящей РНК.
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