我々はタッチの感覚で人工皮膚を作成するために一歩近づいています

George Dvorsky 11/23/2017. 11 comments
Futurism Assistive Devices Prosthetics Artificial Skin Biotechnology Biology Science Neuroscience

最先端のプロテーゼは素晴らしいですが、1つの非常に重要な機能:タッチ感覚が欠けています。 現在、スタンフォード大学の研究チームは、物体によって加えられた力を感知し、その感覚信号を脳細胞に伝えることができる人工皮膚を開発しました。

不十分な感覚フィードバックは、人工の手、腕または脚であろうと、現在の人工肢の重大な制限である。 ユーザは、最適なモータ制御を得るために、オブジェクトがタッチにどのように反応しているかを感知できる必要があります。 さもなければ、どれくらいの力が物体に及ぼされているのか、あるいは温度や質感などのことを知ることは困難です。 さらに、触覚や錯覚も、手足の痛みを緩和することができます。手足の痛みは、切断人の約80%に影響します。

私たちはまだ自然な皮膚と同じように感じ、反応する人工皮膚を作ることができないのですが、電気工学者のBenjamin Teeが率いるスタンフォードチームは最近、実証実験を行いました私たちはかなりの一歩近づいた。

柔軟な人工機械受容器を用いた伸縮性皮膚(クレジット:Bao Research Group / Stanford University

柔軟な有機回路と革新的な新しい圧力センサーを使用することにより、Teeのチームは静的物体の力を感知することのできる人工皮膚を開発しました。 さらに、この知覚データを、光発生技術を用いて培養した、すなわちin vitroのマウスの脳細胞に伝達した。 彼らは彼らの研究成果をジャーナル・Science掲載しています。

Tiny Pyramids of Touch

DiTact(Digital Tactile System)と呼ばれるこのシステムは、自然な皮膚の機械受容器によって自然に生成された信号と同じ種類の信号に圧力感を変換する、低電力のフレキシブルな有機トランジスタ回路に基づいています。 これらの信号は、次に、一連の電圧パルスに変換された。

DiTactシステム(提供:Tee et al。、2015 / Science)

研究者は、広範囲の圧力範囲を記録するためにセンサーにピラミッド構造に成形されたカーボンナノチューブを使用しました。

「我々のセンサーはカーボンナノチューブが分布したゴムの小さなピラミッドでできていた」と共同研究者のAlex Chortos氏はGizmodoの電子メールで述べている。 「この構造は、ピラミッド間の距離、ピラミッドのサイズ、カーボンナノチューブの濃度など、いくつかの変更を簡単に行うことができ、適切な範囲で理想的な圧力検出特性を得ることができたので非常に便利でした。 "

これらの微細構造は、天然の皮膚の皮膚受容体の感受性に非常に近似した方法でセンサの感度を最大限にすることを研究者に可能にした。

Transferring Signals

これらのシグナルは、単独では何もしません。 彼らが感覚フィードバックとして経験されるためには、それらは脳に伝達されなければならない。 そのために、研究者らは0〜200ヘルツの範囲のこれらの信号を取り出し、光ファイバーを介してそれらをマウスの皮質ニューロンに伝達した。 DiTactはまだ開発の初期段階にあるため、研究者らは、生きたマウスの脳in vitroで培養細胞in vitroシグナルを伝達した。

DiTactシステム(提供:Tee et al。、2015 / Science)

この技術は、オプトジェネティックス(optogenetics)と呼ばれ、最終的に生きている被験者に使用される可能性がある。 このプロセスを通して、ニューロンは、光に応答する遺伝子工学的ニューロンによって、発火または発火を停止するように刺激される。 藻類からの導入遺伝子は、青色光に曝されるとニューロンを発火させ、細菌導入遺伝子は黄色光に反応させる。

しかし、この実験では、感覚情報がニューロンによって処理される速い速度を説明するために、研究者は代替の光発生解を使用しなければならなかった。

「生物学的機械受容体は、毎秒数百の電気パルスを生成することができます」とChortos氏は言います。 「従来のオプトジェネティック技術は、実際のメカノレセプターを模倣するのに必要なよりもはるかに遅い脳細胞を刺激することしかできませんでした。

Chortosは、脳細胞を非常に迅速に刺激して、実際の機械受容体の速度と両立させる新しいタイプの光発生治療法開発した Andre BerndtとKarl Deisserothの研究を指摘する。

Teeの研究チームは、新しいオプトジェネティックタンパク質が、より長い間隔の刺激に対応できたことを示しています。これは、末梢神経を含む他の高速スパイクニューロンと互換性がある可能性が高いことを示しています。 言い換えれば、DiTactは生きているマウス、おそらく人間で働く可能性が高いです。 研究者たちはGizmodoに、研究の次のステップはセンサーを使って生きたマウスの神経を刺激することになると語った。

From Science Fiction to Reality
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シグナルが生きている動物ではなくペトリ皿の細胞の塊に伝わったとすれば、彼らのシグナルが正しい性質と強さであることをどのように確かめることができましたか?

「私たちのセンサーが、行動的合図、すなわち動物が圧力に反応してどのように挙動するかを用いて正しい情報を生きている動物に伝えていることを検証することができる」とChortosは語った。 「究極のテストは、センサーを人間に取り付けて、感じることを尋ねることです。 真に自然なタッチセンシングを得るためには、設計を変更して調整する必要があるかもしれません。

確かに、究極の目標は、触覚に敏感な人工皮膚で人工補綴物に触れることです。

「私たちは人工の機械的受容器が、他のグループの開発における人工システムによる感覚フィードバックの統合を介して最大の影響を与えることを想像しています」と、共著者のAmanda Nguyenは指摘する。 「私たちのセンサーは人工四肢のシステムに沿って搭載されるため、神経の刺激パターンとインターフェイスの周りに心配しています。

Nguyen博士は、人間の神経人工装具による感覚フィードバックを含む早期の研究は有望であるが、感覚フィードバックを提供するために神経を効果的かつ安全に刺激する方法を理解するには、より多くの人間研究が必要であると述べている。

「刺激パラメータの理解が深まるにつれて、人工機械受容器の出力はこれらの刺激パラダイムに従うように調整されるだろう」と彼女は語った。 実証された有効性と安全性により、触覚障害を持つ個人の生活の質を向上させる可能性は、神経人工装具によってもたらされる倫理的懸念とバランスをとることができます。 人間のこの種の技術のアクセシビリティは、神経科学の理解が深まり、補綴技術が進歩して感覚的な知覚を提供するにつれて、ますます大きくなるでしょう。

確かに、この研究の道は、より安全で倫理的に疑わしいものになります。 例えば、オプトジェネティクスがヒトにおいて適切かつ安全に機能するためには、侵入型光ファイバー線やトランスジーンの患者へのウイルス送達に頼らずにオプトジェネティクスを作動させる方法を見つけなければならない。

MITの材料科学と工学の教授であるPolina Anikeevaによると、すぐに、患者の幹細胞を使用して体外の遺伝子操作によって特定の波長の光に感受性を持たせることが可能になるかもしれません。 彼女はギズモードに、これらの細胞が潜在的に患者の末梢神経に再導入され 、後者が光学的に刺激されることを可能にすると語った。 ワイヤーなし、倫理的に疑わしいトランス遺伝子はありません。 Anikeevaは、神経刺激を利用して神経の再生能力を高めたり、合成センサーとの密接なインターフェースを形成することも可能であると述べています。

言うまでもなく、数十年ではないにしても、この種の技術は何年も見られることはありません。 しかし、スタンフォードでのティーと彼のチームの仕事のおかげで、この目標に到達する道はますます明確になっています。

Science皮膚に触発された有機的な機械的受容体という研究全体を読むことができます。


著者をgeorge@gizmodo.comにメールして、 @ dvorskyで彼に従ってください スタンフォード大学バオ研究グループのトップ画像

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