🔹 🏢 🥙 لمس العالم: الميكانيكا الحيوية لمستقبلات الجلد البشري 🐉 🛌 👩🏽‍🏭

ليس سرا أن أكبر عضو في جسم الإنسان هو جلده. بالإضافة إلى حماية الجسم من المحفزات الخارجية ، يؤدي الجلد أيضًا وظيفة المستشعر الذي يجمع المعلومات ، إلى جانب العينين والأذنين واللسان والأنف. تسمح المعلومات التي يتلقاها الجلد للشخص بتقييم البيئة وفهم الحالة التي يتصرف فيها بشكل أفضل والتصرف وفقًا لها. على الرغم من الأهمية الكبيرة للمعلومات اللمسية ، إلا أننا لا نعرف الكثير عن كيفية عمل كل شيء. لذلك ، قرر علماء من جامعة كاليفورنيا (الولايات المتحدة الأمريكية) فحص جلد الإنسان من زاوية رياضية لفهم آلية حدوث ونقل الأحاسيس اللمسية. ماذا يحدث عندما نأخذ شيء ما بين أيدينا ، وكيف تعالج بشرتنا المعلومات الواردة ،وكيف تطبق هذه الدراسة عمليا؟ سنجد إجابات لهذه الأسئلة في تقرير العلماء. اذهب.

أساس الدراسة

في البالغين ، يمكن أن تصل مساحة جلده إلى 2.3 متر مربع ، مما يجعله أكبر عضو. ومع ذلك ، فإن الأبعاد ليست شيئًا إذا لم تكن هناك وظائف خلفها. يقوم الجلد بالكثير من الوظائف: الحماية ، الجهاز التنفسي ، الإخراج ، التنظيم الحراري ، المناعة ، التمثيل الغذائي ، إلخ. وبعبارة أخرى ، فإن محاولة تقييم الأعضاء المختلفة حسب أهميتها ، فإن وضع الجلد في المركز الأخير سيكون خطأ.

الوظيفة الأكثر غموضًا للجلد هي جمع المعلومات ، أي تشكيل اللمس - أحد أنواع الحواس البشرية. هذه هي درجة الحرارة في الغرفة ، وورق الحائط الخام أو السلس ، ومدى نعومة الكرسي - كل هذا والعديد من البيانات الأخرى يتم جمعها بدقة عن طريق الجلد.

تكمن حساسية الجلد المذهلة في وجود عدد كبير من النهايات العصبية ، أي مستقبلات. تختلف جميعها عن بعضها البعض في الشكل والهيكل ، لأنها تؤدي مهام مختلفة (بعضها يجمع معلومات حول نسيج الكائن ، والبعض الآخر - حول درجة الحرارة ، على سبيل المثال).

يمكن تقسيم مستقبلات الجلد إلى نوعين رئيسيين: النهايات العصبية الحرة والنهايات العصبية غير الحرة. تتكون الأولى فقط من الفروع النهائية للأسطوانة المحورية وتقع في الظهارة. تجمع هذه المستقبلات بيانات عن درجة الحرارة (المستقبلات الحرارية) والضغط (المستقبلات الميكانيكية) والألم (المستقبلات).

تصنيف النهايات العصبية غير الحرة أكثر شمولاً:

أجسام Pacini - مستقبلات الضغط في الدهون تحت الجلد.
أجسام ميسنر - مستقبلات الضغط في الأدمة.
— ;
— , ;
— ( , );
— , .

هذه ليست سوى قائمة قصيرة ، دون فحص عميق للمستقبلات ، ووظائفها وبنيتها ، ولكن هذا يكفي لفهم تعقيد الجلد كجهاز من الحواس.

يفسر الباحثون أنفسهم اللمس على أنه ترميز للإشارات الميكانيكية التي يجمعها الجلد والأنسجة تحت الجلد إلى إشارات عصبية. غالبًا ما ترتبط الاستجابات العصبية للمنبهات اللمسية بالتأثيرات الميكانيكية الناشئة عن مناطق صغيرة من الجلد ، ولكن هناك دليل على أن اللمس الديناميكي يسبب موجات ميكانيكية في نطاق الترددات اللمسية التي تنتشر في جميع أنحاء الذراع ، مع تخميد الإثارة العابرة لمدة 30 مللي ثانية. وهكذا، يمكن التأثيرات اللمس دينامية تحفز على نطاق واسع afferentation * .

* — .

تم العثور على أن هذه الموجات ، التي تسببها اللمس ، تساهم في إدراك خفي ويمكن استخدامها لتحديد خصائص الكائن الذي تم لمسه ، ومنطقة التلامس مع الكائن باليد والمزيد من الإجراءات. هناك أيضًا أدلة على أن الحقول المتقبلة للخلايا العصبية في مناطق الحسية الجسدية للقشرة الدماغية تغطي مناطق كبيرة من اليدين وعدة أصابع.

تتسبب منطقة التلامس الكبيرة في المراحل الأولى من معالجة الإشارة في استجابة الخلايا العصبية القشرية لإشارات الإدخال التي يتم تسليمها إلى منطقة التلامس.

وبالتالي ، قد تعتمد المعالجة الحسية الجسدية على المعلومات التي تحملها الموجات الميكانيكية ، التي تنتشر في الأنسجة إلى مواقع بعيدة بعيدة عن أماكن الاتصال الميكانيكي المباشر.

يعتقد العلماء أنه إذا كان نقل الموجات الميكانيكية في اليد يعزز الترميز الفعال للمعلومات الحسية الجسدية ، فيجب أن يكون من الممكن وصف المنبهات اللمسية في مناطق صغيرة من خلال المعلمات الإعلامية. بمعنى آخر ، قم بتحويل الشعور باللمس إلى أرقام.

يوضح العلماء في عملهم كيف تقوم الموجات الميكانيكية في اليد بتشفير بيانات الإدخال اللمسية بكفاءة. بعد إجراء التجارب باستخدام أجهزة استشعار عالية الدقة ، تمكن العلماء من إنشاء نوع من القاموس للإشارات الزمانية المكانية ، والتي تسمح لك معًا بتصنيف المعلومات الواردة بدقة تزيد عن 95٪. أي أنهم تمكنوا من إنشاء خريطة توضح مكان ومناطق جلد اليد التي يتم تنشيطها عند ملامسة شيء ما.

نتائج البحث

تصور العلماء نمذجة المعلومات اللمسية في شكل تحلل المصفوفة. تم تقييم الترميز باستخدام قاعدة بيانات من المنبهات اللمسية التي تم جمعها خلال التجارب لكامل اليد ، بما في ذلك التغيرات الزمانية المكانية في الجلد أ (س ، ر). تم إرفاق مجسات خاصة في 30 قسمًا (x) بذراع المتطوع. خلال التجربة ، تم تنفيذ 13 إيماءة و 4600 تفاعل مع أشياء مختلفة.

الصورة رقم 1

لكل من المحفزات w _i (x، t) التي تم إدخالها في مجموعة البيانات وقت التنشيط الخاص بها h _i (t) ، والذي تم أخذه في الاعتبار أيضًا في النموذج للحصول على "أنماط أساسية ملموسة" أكثر دقة ( 2A ) ، والتي تقوم المجاميع بتشفير جميع المنبهات الناشئة والإشارات المرسلة.

الصورة رقم 2

يمكن أيضًا تفسير هذه الأنماط الأساسية (المشار إليها فيما يلي باسم القواعد) على أنها مجموعة من فلاتر التحليل التي تستخرج المعلومات من المنبهات الخارجية باستخدام أنماط إضافية مختلفة للتكامل المكاني والزمني للإشارات الميكانيكية في اليد. وفقًا للعلماء ، يمكن مقارنة هذه المرشحات بوظائف الضبط الزمني الطيفي في المعالجة السمعية أو مع مرشحات المجال الاستقبالي الزماني المكاني أثناء عمل شبكية العين.

وخلاصة القول ، ابتكر العلماء نموذجًا رياضيًا تم تقديم الإشارات التي شعرت بها عبر الذراع في شكل عدد صغير من الأنماط المبسطة. سمحت لنا هذه التقنية بالحصول على أنماط الموجة الرئيسية - اهتزازات الجلد في جميع أنحاء اليد ، والتي تشارك في جمع ونقل المعلومات اللمسية.

على الرغم من حقيقة أن التحليل لم يأخذ في الاعتبار شروط ظهور الإشارات ، إلا أن القواعد اللمسية تشبه الوظيفة الحسية لليد ( 2 أ و 2 ب ). تم توطين معظمها في البداية في الأطراف البعيدة لأحد الأصابع (أكثر المناطق تعصباً في اليد). كانت سرعة الإشارات حوالي 1-10 م / ث ، ولوحظ توهين الإشارة بعد 10-30 مللي ثانية من حدوثه. تطورت قواعد لمسية أخرى من المنطقة البعيدة من الأصابع الفردية إلى مناطق منتشرة على سطح اليد ( 2 أ) في جانب التردد ، أظهر زوج من القواعد ترتيبًا مكانيًا مشابهًا ، ولكن خصائص تردد مختلفة. على سبيل المثال ، هناك زوج من القواعد المترجمة داخل إصبع واحد ، ولكن لها خصائص تصفية مختلفة (نسبة إلى الإشارات المرسلة): النطاق الأدنى من 20 إلى 80 هرتز ( 2 فولت ، الأساس 2) أو النطاق العلوي من 80 إلى 160 هرتز ( 2B ، الأساس 6 )

الصورة رقم 3

يعتقد العلماء أن القواعد اللمسية المكانية الزمانية ترتبط بإصبع معين ، أي لديهم منطقة عمل خاصة بهم ، إذا جاز التعبير. على سبيل المثال ، 45٪ من 4،600 منبهات اللمس التي تم تحليلها سببها إيماءات عندما كان هناك إصبع واحد فقط على اتصال بالجسم. بعد إعادة التحليل ، باستثناء الإشارات اللمسية التي تم إنشاؤها بإصبع واحد فقط ، تم العثور على نفس الاتجاه.

مساحة المنبهات اللمسية المحتملة محدودة بالميكانيكا ومدة الاتصال ( 3A ).

ثم قرر العلماء التحقق من عدد القواعد التي يجب استخدامها لتحديد مصدر الإشارة. كما اتضح ، إذا كنت تستخدم 7 على الأقل ، فإن دقة التحديد ستكون 90٪ ، وإذا 12 ، 95٪. ومع ذلك ، لا تتطلب جميع الحوافز تفعيل مثل هذا العدد الكبير من القواعد لزيادة الدقة. المنطق واضح إلى حد ما: عندما تشارك عدة أصابع في إيماءة ، يتم تنشيط العديد من القواعد ؛ إذا كان هناك إصبع واحد فقط في الإيماءة ، فسيكون هناك أساس واحد ، بحد أقصى اثنين. علاوة على ذلك ، اختلفت القواعد نفسها أيضًا اعتمادًا على الإيماءات. أي أن إيماءات مختلفة ، على الرغم من أن الأصابع نفسها متورطة فيها ، ستنشط قواعد مختلفة.

كما أظهر النموذج أن خمس قواعد كافية لتعظيم الدقة (80٪) التي يمكن من خلالها تصنيف المنبهات من أحد المشاركين في التجارب باستخدام بيانات من مشاركين آخرين (3C). كانت هذه القواعد الخمس عالمية تقريبًا بين جميع المشاركين وتتوافق مع أصابع اليد الخمسة ( 3B ).

يشير مجموع الملاحظات أعلاه إلى أن مرونة الجلد نفسها تلعب دورًا مهمًا في جمع المعلومات ونقلها ، لأنها تزيد من مساحة التلامس مع الجسم. بالإضافة إلى ذلك ، تسمح لنا موجات الإشارات التي تنتشر في نمط معين بتصنيف المعلومات الواردة ، مما يساعد أيضًا على تسريع معالجتها مباشرة من الدماغ.

يمكن مقارنة آليات معالجة الإشارات المماثلة بعمل الأذن الوسطى ، والتي ، من خلال توزيع الأصوات بمحتويات تردد مختلفة على المستقبلات الحسية المختلفة في الأذن ، تساعد على ترميز الأصوات بواسطة النظام السمعي.

لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.

الخاتمة

أظهرت لنا هذه الدراسة أن الجلد هو نظام أكثر تعقيدًا مما كان يعتقد سابقًا. إذا كان من الممكن في وقت سابق وصف عملية نقل الإشارة بشكل خطي (اللمس - حدوث إشارة - إرسال إشارة إلى الدماغ) ، فإن هذه العملية الآن أشبه بنشاط الموجة. الإشارات المتلقاة من الأجسام المتفاعلة مع الجلد تنتشر في الأمواج على طول النهايات العصبية للجلد ، اعتمادًا على منطقة التلامس ومدتها وطبيعة السطح. وبعبارة أخرى ، في جمع المعلومات حول كائن الاتصال ، لا يقتصر الأمر على المستقبلات الموجودة في مكان الاتصال المباشر ، ولكن أيضًا المستقبلات حول هذه المنطقة.

يعتقد الباحثون أن مرونة الجلد تلعب دورًا مهمًا في هذه العملية المعقدة ، مما يجعل من الممكن زيادة منطقة التلامس من وجهة انتشار الإشارة ، وليس من وجهة نظر جهة الاتصال نفسها.

ووفقًا للعلماء ، فإن عملهم لن يؤدي فقط إلى فهم عمل الدماغ البشري والجهاز العصبي بشكل أفضل ، بل سيكون مفيدًا أيضًا في تطوير الأطراف الاصطناعية وحتى الروبوتات القادرة على جمع المعلومات البيئية عن طريق اللمس.

الجمعة خارج القمة:

LEGO .

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم عطلة نهاية أسبوع رائعة يا رفاق :)

القليل من الدعاية :)

أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS القائم على السحابة للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

لمس العالم: الميكانيكا الحيوية لمستقبلات الجلد البشري

أساس الدراسة

نتائج البحث

الخاتمة

القليل من الدعاية :)

More articles: