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Sistema de nervios sensoriales artificiales: una bendición para las prótesis

TECNOLOGÍA DE INGENIERÍASistema de nervios sensoriales artificiales: una bendición para las prótesis

Los investigadores han desarrollado un sistema nervioso sensorial artificial que puede procesar información similar al cuerpo humano y podría efectivamente dar sentido del tacto a las prótesis.

Nuestra piel, el órgano más grande del cuerpo, también es el más importante, ya que cubre todo nuestro cuerpo, controla la temperatura de nuestro cuerpo y nos protege de factores externos dañinos como el sol, temperaturas anormales, gérmenes, etc. Nuestra piel se puede estirar notablemente y puede repararse a sí misma. La piel también es importante porque nos proporciona un sentido del tacto a través del cual podemos tomar decisiones. La piel es un sistema complejo de detección y señalización para nosotros.

En un estudio publicado en Science, investigadores dirigidos por el profesor Zhenan Bao de la Universidad de Stanford y la Universidad Nacional de Seúl han desarrollado un artificial sistema nervioso sensorial que podría ser un gran paso hacia la creación de "piel artificial" para protesis extremidades que podrían restaurar la sensación y actuar como una cubierta de piel normal. El aspecto desafiante de este estudio fue cómo imitar eficazmente nuestra piel, que posee varias propiedades únicas. La característica más difícil de imitar es la forma en que nuestra piel actúa como un inteligente sensorio red que en primer lugar transmite sensaciones al cerebro y también ordena a nuestros músculos que reaccionen a través de un reflejo para tomar decisiones rápidas. Por ejemplo, un toque hace que los músculos del codo se estiren y los sensores en estos músculos envían impulsos al cerebro a través de una neurona. Luego, la neurona envía una serie de señales a las sinapsis relevantes. La red sináptica de nuestro cuerpo reconoce el patrón de estiramiento repentino de los músculos y envía dos señales simultáneamente. Una señal hace que los músculos del codo se contraigan como reflejo y la segunda señal va al cerebro para informar sobre esta sensación. Toda esta secuencia de eventos ocurre en casi una fracción de segundo. La imitación de estos complicados sistemas nerviosos sensoriales biológicos, incluidos todos los elementos funcionales de la red de neuronas, sigue siendo un desafío.

Sistema nervioso sensorial único que "imita" el real

Los investigadores han creado un sistema sensorial único que podría replicar cómo funciona el sistema nervioso humano. El “circuito nervioso artificial” diseñado por los investigadores integra tres componentes en una lámina plana y flexible de pocos centímetros. Estos componentes se han descrito previamente individualmente. El primer componente es un toque sensor que puede detectar fuerzas y presiones (incluso pequeñas). Este sensor (hecho de polímeros orgánicos, nanotubos de carbono y electrodos de oro) envía señales a través de un segundo componente, una neurona electrónica flexible. Ambos componentes son versiones mejoradas y mejoradas de lo que desarrollaron antes los mismos investigadores. Las señales sensoriales generadas y pasadas a través de estos dos componentes se envían a un tercer componente, un transistor sináptico artificial que se modela exactamente como las sinapsis humanas en el cerebro. Todos estos tres componentes tienen que funcionar de manera cohesiva y demostrar la función final fue el aspecto más desafiante. Las sinapsis biológicas reales transmiten señales y almacenan información necesaria para tomar decisiones. Este transistor sináptico "realiza" estas funciones al enviar señales electrónicas al transistor sináptico mediante el uso del circuito nervioso artificial. Por lo tanto, este sistema artificial aprende a reconocer y reaccionar a los estímulos sensoriales basándose en la intensidad y frecuencia de las señales de baja potencia, exactamente como lo haría una sinapsis biológica en un cuerpo vivo. La novedad de este estudio es cómo estos tres componentes individuales que se conocen anteriormente se integraron con éxito por primera vez para ofrecer un sistema cohesivo.

Los investigadores probaron la capacidad de este sistema para generar reflejos y también sentir el tacto. En un experimento, unieron su nervio artificial a la pata de una cucaracha y aplicaron una pequeña presión a su sensor táctil. La neurona electrónica convirtió la señal del sensor en señales digitales y las pasó a través del transistor sináptico. Esto hizo que la pata de la cucaracha se moviera debido al aumento o disminución de la presión en el sensor táctil. Entonces, esta configuración artificial ciertamente activó el reflejo de contracción. En un segundo experimento, los investigadores demostraron la capacidad del nervio artificial para detectar diferentes sensaciones táctiles al poder diferenciar las letras Braille. En otra prueba, hicieron rodar un cilindro sobre el sensor en diferentes direcciones y pudieron detectar con precisión la dirección exacta del movimiento. Por lo tanto, este dispositivo puede mejorar el reconocimiento de objetos y el procesamiento fino de información táctil, como el reconocimiento de texturas, la lectura en braille y la distinción de bordes de objetos.

Futuro del sistema nervioso sensorial artificial

Esta tecnología de nervios artificiales se encuentra en una etapa muy temprana y no ha alcanzado el nivel de complejidad requerido, pero ha brindado una inmensa esperanza para la creación de cubiertas artificiales para la piel. Está claro que tales "cubiertas" también requerirían dispositivos para detectar el calor, la vibración, la presión y otras fuerzas y sensaciones. Deben tener una buena capacidad para integrarse en circuitos flexibles para que puedan interactuar eficazmente con el cerebro. Para imitar nuestra piel, el dispositivo debe tener más integración y funcionalidad, lo que lo hará más estable y confiable.

Esta tecnología de nervios artificiales podría ser de gran ayuda para las prótesis y restaurar las sensaciones en los amputados. Los dispositivos protésicos han mejorado mucho durante el año con más tecnología de impresión 3D disponible y sistemas robóticos más receptivos. A pesar de estas actualizaciones, la mayoría de los dispositivos protésicos disponibles en la actualidad deben controlarse de manera muy aproximada, ya que no brindan una buena interfaz satisfactoria con el cerebro debido a la falta de incorporación de las complejidades del vasto sistema nervioso humano. El dispositivo no da retroalimentación y, por lo tanto, el paciente se siente muy insatisfecho y los descarta tarde o temprano. Una tecnología de nervios artificiales de este tipo, cuando se incorpora con éxito a las prótesis, proporcionará información táctil a los usuarios y ayudará a proporcionar a los pacientes una mejor experiencia. Este dispositivo es un gran paso hacia la creación de redes neuronales sensoriales similares a la piel para diversas aplicaciones al otorgar poderes de reflejo y tacto.

***

{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}

Fuentes)

Yeongin K y col. 2018. Un nervio aferente artificial orgánico flexible bioinspirado. Sciencehttps://doi.org/10.1126/science.aao0098

Equipo SCIEU
Equipo SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
Scientific European® | SCIEU.com | Avances significativos en la ciencia. Impacto en la humanidad. Mentes inspiradoras.

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