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Die Welt berühren: Biomechanik des menschlichen Hautrezeptors



Es ist kein Geheimnis, dass das größte Organ des menschlichen Körpers seine Haut ist. Neben dem Schutz des Körpers vor äußeren Reizen erfüllt die Haut auch die Funktion eines Sensors, der neben Augen, Ohren, Zunge und Nase Informationen sammelt. Die von der Haut empfangenen Informationen ermöglichen es einer Person, die Umwelt zu beurteilen, die Situation, in der sie sich befindet, besser zu verstehen und entsprechend zu handeln. Trotz der großen Bedeutung taktiler Informationen wissen wir nicht viel darüber, wie alles funktioniert. Daher beschlossen Wissenschaftler der University of California (USA), die menschliche Haut aus einem mathematischen Blickwinkel zu untersuchen, um den Mechanismus des Auftretens und der Übertragung taktiler Empfindungen zu verstehen. Was passiert, wenn wir etwas in die Hand nehmen, wie unsere Haut die erhaltenen Informationen verarbeitet?und wie kann man diese Studie in der Praxis anwenden? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.

Studienbasis


Bei einem Erwachsenen kann die Hautfläche 2,3 m2 erreichen, was sie zum größten Organ macht. Die Abmessungen sind jedoch nichts, wenn keine Funktionalität dahinter steckt. Die Haut erfüllt eine Reihe von Funktionen: Schutz-, Atmungs-, Ausscheidungs-, thermoregulatorische, Immun-, Stoffwechsel- usw. Mit anderen Worten, es wäre ein Fehler, verschiedene Organe nach ihrer Wichtigkeit zu bewerten und die Haut an die letzte Stelle zu setzen.

Die mysteriöseste Funktion der Haut ist die Sammlung von Informationen, d.h. die Bildung von Berührungen - eine der Arten menschlicher Sinne. So ist die Temperatur im Raum, die raue oder glatte Tapete, wie weich ein Stuhl ist - all diese und viele andere Daten werden genau von der Haut erfasst.

Die unglaubliche Empfindlichkeit der Haut liegt in der Anwesenheit einer großen Anzahl von Nervenenden, d.h. Rezeptoren. Sie unterscheiden sich alle in Form und Struktur, weil sie unterschiedliche Aufgaben ausführen (einige sammeln Informationen über die Textur des Objekts, andere - zum Beispiel über die Temperatur).

Hautrezeptoren können in zwei Haupttypen unterteilt werden: freie Nervenenden und nicht freie Nervenenden. Ersteres besteht ausschließlich aus den letzten Ästen des Axialzylinders und befindet sich im Epithel. Diese Rezeptoren sammeln Daten zu Temperatur (Thermorezeptoren), Druck (Mechanorezeptoren) und Schmerzen (Nozizeptoren).



Die Kategorisierung nichtfreier Nervenenden ist viel umfangreicher:

  • Pacini-Körper - Druckrezeptoren im Unterhautfett;
  • Meißner-Körper - Druckrezeptoren in der Dermis;
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  • — , .


Dies ist nur eine kurze Liste ohne eingehende Untersuchung der Rezeptoren, ihrer Funktionen und Struktur, aber dies reicht aus, um die Komplexität der Haut als Sinnesorgan zu verstehen.

Die Forscher selbst interpretieren Berührung als Kodierung mechanischer Signale, die von der Haut und dem Unterhautgewebe gesammelt werden, in neuronale Signale. Neuronale Reaktionen auf taktile Reize sind häufig mit mechanischen Einflüssen verbunden, die von kleinen Hautbereichen ausgehen. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass dynamische Berührungen mechanische Wellen im taktilen Frequenzbereich verursachen, die sich im gesamten Arm ausbreiten, wobei vorübergehende Anregungen 30 ms lang gedämpft werden. So können dynamische taktile Einflüsse eine weit verbreitete Afferenz * stimulieren .
* — .
Es wurde festgestellt, dass diese durch Berührung verursachten Wellen zu einer subtilen Wahrnehmung beitragen und verwendet werden können, um die Eigenschaften des berührten Objekts, den Kontaktbereich des Objekts mit der Hand und weitere Aktionen zu bestimmen. Es gibt auch Hinweise darauf, dass die Rezeptionsfelder von Neuronen in den somatosensorischen Regionen der Großhirnrinde große Bereiche der Hände und mehrere Finger bedecken.

Die große Kontaktfläche in den frühen Stadien der Signalverarbeitung bewirkt, dass die kortikalen Neuronen auf Eingangssignale reagieren, die an die Kontaktfläche zurückgesendet werden.

Daher kann die somatosensorische Verarbeitung von Informationen abhängen, die von mechanischen Wellen übertragen werden, die sich in Geweben zu entfernten Orten ausbreiten, die von Orten direkten mechanischen Kontakts entfernt sind.

Wissenschaftler glauben, dass es möglich sein sollte, taktile Reize in kleinen Bereichen mithilfe informativer Parameter zu beschreiben, wenn die Übertragung mechanischer Wellen in der Hand zur effektiven Kodierung somatosensorischer Informationen beiträgt. Mit anderen Worten, wandeln Sie das Berührungsgefühl in Zahlen um.

In ihrer Arbeit zeigen Wissenschaftler, wie mechanische Wellen in der Hand taktile Eingabedaten effizient codieren. Nach Experimenten mit hochpräzisen Sensoren konnten die Wissenschaftler eine Art Wörterbuch mit räumlich-zeitlichen Signalen erstellen, mit dem Sie eingehende Informationen mit einer Genauigkeit von mehr als 95% klassifizieren können. Das heißt, sie haben es geschafft, eine Karte zu erstellen, die zeigt, wo und welche Bereiche der Haut der Hand aktiviert werden, wenn sie mit einem Objekt in Kontakt kommen.

Forschungsergebnisse


Wissenschaftler stellten die taktile Informationsmodellierung in Form einer Matrixzerlegung dar. Die Kodierung wurde unter Verwendung einer Datenbank von taktilen Reizen bewertet, die während der Experimente für die gesamte Hand gesammelt wurden, einschließlich räumlich-zeitlicher Veränderungen in der Haut a (x, t). Spezielle Sensoren in 30 Abschnitten (x) wurden am Arm des Freiwilligen angebracht. Während des Experiments wurden 13 Gesten und 4600 Interaktionen mit verschiedenen Objekten durchgeführt.


Bild Nr. 1

Jeder der in den Datensatz eingegebenen Stimuli w i (x, t) hatte seine eigene Aktivierungszeit h i (t), die auch im Modell berücksichtigt wurde, um genauere „taktile Grundmuster“ ( 2A ) zu erhalten, die Aggregate codieren alle entstehenden Reize und übertragenen Signale.


Bild Nr. 2

Diese Grundmuster (im Folgenden als Basen bezeichnet) können auch als eine Reihe von Analysefiltern interpretiert werden, die Informationen aus externen Stimuli unter Verwendung verschiedener zusätzlicher Muster der räumlichen und zeitlichen Integration mechanischer Signale in der Hand extrahieren. Laut Wissenschaftlern können diese Filter mit den Funktionen der spektral-zeitlichen Abstimmung bei der auditorischen Verarbeitung oder mit Filtern des räumlich-zeitlichen Empfangsfeldes während der Arbeit der Netzhaut verglichen werden.

Zusammenfassend erstellten die Wissenschaftler ein mathematisches Modell, in dem die im gesamten Arm empfundenen Signale als kleine Anzahl vereinfachter Muster dargestellt wurden. Diese Technik ermöglichte es uns, die Hauptwellenmuster zu erhalten - Hautvibrationen in der gesamten Hand, die an der Erfassung und Übertragung taktiler Informationen beteiligt sind.

Trotz der Tatsache, dass die Analyse die Bedingungen für das Auftreten von Signalen nicht berücksichtigte, ähnelten taktile Basen der sensorischen Funktion der Hand ( 2A und 2B ). Die meisten von ihnen befanden sich ursprünglich an den distalen Enden eines der Finger (den am dichtesten innervierten Bereichen der Hand). Die Geschwindigkeit der Signale betrug etwa 1 bis 10 m / s, und die Signaldämpfung wurde 10 bis 30 ms nach ihrem Auftreten beobachtet. Andere taktile Basen entwickelten sich vom distalen Bereich einzelner Finger zu diffusen Bereichen der Handoberfläche ( 2A)) In Bezug auf die Frequenz zeigte ein Basenpaar eine ähnliche räumliche Anordnung, jedoch unterschiedliche Frequenzeigenschaften. Zum Beispiel gibt es ein Basenpaar, das innerhalb eines Fingers lokalisiert ist, jedoch unterschiedliche Filtereigenschaften (relativ zu den übertragenen Signalen) aufweist: den unteren Bereich von 20 bis 80 Hz ( 2 V , Basis 2) oder den oberen Bereich von 80 bis 160 Hz ( 2B , Basis 6) )


Bild Nr. 3

Wissenschaftler glauben, dass räumlich-zeitliche taktile Basen mit einem bestimmten Finger verbunden sind, d.h. haben sozusagen einen eigenen Arbeitsbereich. Zum Beispiel wurden 45% der 4.600 analysierten taktilen Reize durch Gesten verursacht, wenn nur ein Finger mit dem Objekt in Kontakt war. Nach erneuter Analyse wurde mit Ausnahme von taktilen Signalen, die mit nur einem Finger erzeugt wurden, die gleiche Tendenz festgestellt.

Der Raum möglicher taktiler Reize ist durch die Mechanik und die Dauer des Kontakts begrenzt ( 3A ).

Dann beschlossen die Wissenschaftler zu prüfen, wie viele Basen zur Bestimmung der Signalquelle verwendet werden sollten. Wie sich herausstellte, beträgt die Genauigkeit der Bestimmung 90%, wenn Sie mindestens 7 verwenden, und wenn 12, dann 95%. Nicht alle Anreize erfordern jedoch die Aktivierung einer so großen Anzahl von Basen, um die Genauigkeit zu erhöhen. Die Logik ist ziemlich einfach: Wenn mehrere Finger an einer Geste beteiligt sind, werden mehrere Basen aktiviert. Wenn nur ein Finger an der Geste beteiligt ist, gibt es eine Basis, maximal zwei. Darüber hinaus variierten die Basen selbst je nach Geste. Das heißt, verschiedene Gesten aktivieren unterschiedliche Basen, obwohl dieselben Finger daran beteiligt sind.

Das Modell zeigte auch, dass fünf Basen ausreichen, um die Genauigkeit (80%) zu maximieren, mit der die Stimuli eines Teilnehmers an den Experimenten unter Verwendung von Daten anderer Teilnehmer (3C) klassifiziert werden konnten. Diese fünf Basen waren unter allen Teilnehmern nahezu universell und entsprachen den fünf Fingern der Hand ( 3B ).

Die Gesamtheit der obigen Beobachtungen legt nahe, dass die Elastizität der Haut selbst eine wichtige Rolle bei der Sammlung und Übertragung von Informationen spielt, da sie den Kontaktbereich mit dem Objekt vergrößert. Darüber hinaus ermöglichen die Signalwellen, die sich in einem bestimmten Muster ausbreiten, die Klassifizierung der empfangenen Informationen, was auch dazu beiträgt, die Verarbeitung direkt durch das Gehirn zu beschleunigen.

Ähnliche Signalverarbeitungsmechanismen können mit der Arbeit des Mittelohrs verglichen werden, das durch die Verteilung von Tönen mit unterschiedlichen Frequenzinhalten an verschiedene sensorische Rezeptoren im Ohr die Kodierung von Tönen durch das Hörsystem unterstützt.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Epilog


Diese Studie hat uns gezeigt, dass die Haut ein viel komplexeres System ist als bisher angenommen. Wenn früher der Prozess der Signalübertragung linear beschrieben werden konnte (Berührung - das Auftreten einer Signal - Signalübertragung zum Gehirn), ähnelt dieser Prozess jetzt eher der Wellenaktivität. Signale, die von Objekten empfangen werden, die mit der Haut interagieren, breiten sich in Wellen entlang der Nervenenden der Haut aus, abhängig von der Kontaktfläche, ihrer Dauer und der Art der Oberfläche. Mit anderen Worten, bei der Sammlung von Informationen über das Kontaktobjekt sind nicht nur Rezeptoren an der direkten Kontaktstelle beteiligt, sondern auch Rezeptoren in dieser Zone.

Die Forscher glauben, dass die Hautelastizität eine wichtige Rolle in diesem komplexen Prozess spielt, der es ermöglicht, die Kontaktfläche unter dem Gesichtspunkt der Signalausbreitung und nicht unter dem Gesichtspunkt des Kontakts selbst zu vergrößern.

Laut Wissenschaftlern wird ihre Arbeit nicht nur die Funktionsweise des menschlichen Gehirns und des Nervensystems besser verstehen, sondern auch bei der Entwicklung neuer Prothesen und sogar von Robotern hilfreich sein, die in der Lage sind, Umweltinformationen taktil zu sammeln.

Freitag off-top:

LEGO .

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