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Tocando el mundo: biomecánica del receptor de la piel humana



No es ningún secreto que el órgano más grande del cuerpo humano es su piel. Además de proteger el cuerpo de estímulos externos, la piel también realiza la función de un sensor que recopila información, junto con los ojos, oídos, lengua y nariz. La información recibida por la piel permite a una persona evaluar el entorno, comprender mejor la situación en la que se encuentra y actuar de acuerdo con él. A pesar de la gran importancia de la información táctil, no sabemos mucho sobre cómo funciona todo. Por lo tanto, los científicos de la Universidad de California (EE. UU.) Decidieron examinar la piel humana desde un ángulo matemático para comprender el mecanismo de aparición y transmisión de sensaciones táctiles. Qué sucede cuando tomamos algo en nuestras manos, cómo nuestra piel procesa la información recibida,¿Y cómo aplicar este estudio en la práctica? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos. Vamos.

Base de estudio


En un adulto, el área de su piel puede alcanzar los 2,3 m2, lo que lo convierte en el órgano más grande. Sin embargo, las dimensiones no son nada si no hay funcionalidad detrás de ellas. La piel realiza muchas funciones: protectora, respiratoria, excretora, termorreguladora, inmune, metabólica, etc. En otras palabras, tratar de evaluar diferentes órganos por su importancia, poner la piel en el último lugar sería un error.

La función más misteriosa de la piel es la recopilación de información, es decir. La formación del tacto, uno de los tipos de sentidos humanos. Tal es la temperatura en la habitación, el papel tapiz áspero o liso, lo suave que es una silla: toda esta y muchas otras informaciones son recopiladas precisamente por la piel.

La increíble sensibilidad de la piel radica en la presencia de una gran cantidad de terminaciones nerviosas, es decir. receptores Todos difieren entre sí en forma y estructura, porque realizan diferentes tareas (algunos recopilan información sobre la textura del objeto, otros, sobre la temperatura, por ejemplo).

Los receptores de la piel se pueden dividir en dos tipos principales: terminaciones nerviosas libres y terminaciones nerviosas no libres. Los primeros consisten únicamente en las ramas finales del cilindro axial y se encuentran en el epitelio. Estos receptores recopilan datos sobre temperatura (termorreceptores), presión (mecanorreceptores) y dolor (nociceptores).



La categorización de las terminaciones nerviosas no libres es mucho más extensa:

  • Cuerpos de Pacini: receptores de presión en la grasa subcutánea;
  • Cuerpos de Meissner: receptores de presión en la dermis;
  • — ;
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  • — ( , );
  • — , .


Esta es solo una lista corta, sin un examen profundo de los receptores, sus funciones y estructura, pero es suficiente para comprender la complejidad de la piel como órgano de los sentidos.

Los propios investigadores interpretan el tacto como la codificación de señales mecánicas recogidas por la piel y los tejidos subcutáneos en señales neuronales. Las respuestas neuronales a los estímulos táctiles a menudo se asocian con influencias mecánicas que surgen de pequeñas áreas de la piel, sin embargo, hay evidencia de que el tacto dinámico provoca ondas mecánicas en el rango de frecuencia táctil que se propagan por todo el brazo, con excitaciones transitorias que decaen durante 30 ms. Por lo tanto, las influencias táctiles dinámicas pueden estimular la aferencia generalizada * .
* — .
Se descubrió que estas ondas, causadas por el tacto, contribuyen a una percepción sutil y pueden usarse para determinar las características del objeto que fue tocado, el área de contacto del objeto con la mano y otras acciones. También hay evidencia de que los campos receptivos de las neuronas en las regiones somatosensoriales de la corteza cerebral cubren grandes áreas de las manos y varios dedos.

El gran área de contacto en las primeras etapas del procesamiento de la señal hace que las neuronas corticales respondan a las señales de entrada que se devuelven al área de contacto.

Por lo tanto, el procesamiento somatosensorial puede depender de la información transportada por ondas mecánicas, que se propagan en los tejidos a sitios distantes alejados de los lugares de contacto mecánico directo.

Los científicos creen que si la transferencia de ondas mecánicas en la mano promueve la codificación efectiva de la información somatosensorial, entonces debería ser posible describir los estímulos táctiles en áreas pequeñas a través de parámetros informativos. En otras palabras, convierta la sensación táctil en números.

En su trabajo, los científicos muestran cómo las ondas mecánicas en la mano codifican eficientemente los datos de entrada táctil. Después de realizar experimentos con sensores de alta precisión, los científicos pudieron crear una especie de diccionario de señales espacio-temporales, que en conjunto le permiten clasificar la información entrante con una precisión de más del 95%. Es decir, lograron crear un mapa que muestra dónde y qué áreas de la piel de la mano se activan cuando entran en contacto con un objeto.

Resultados de la investigacion


Los científicos describieron el modelado de información táctil en forma de descomposición de la matriz. La codificación se evaluó utilizando una base de datos de estímulos táctiles recopilados durante los experimentos para toda la mano, incluidos los cambios espacio-temporales en la piel a (x, t). Sensores especiales en 30 secciones (x) se unieron al brazo del voluntario. Durante el experimento, se realizaron 13 gestos y 4600 interacciones con varios objetos.


Imagen No. 1

Cada uno de los estímulos w i (x, t) ingresados ​​en el conjunto de datos tuvo su propio tiempo de activación h i (t), que también se tuvo en cuenta en el modelo para obtener "patrones básicos táctiles" más precisos ( 2A ), que Los agregados codifican todos los estímulos emergentes y las señales transmitidas.


Imagen No. 2

Estos patrones básicos (en lo sucesivo denominados bases) también pueden interpretarse como un conjunto de filtros de análisis que extraen información de estímulos externos utilizando varios patrones adicionales de integración espacial y temporal de señales mecánicas en la mano. Según los científicos, estos filtros se pueden comparar con las funciones de sintonización espectral-temporal en el procesamiento auditivo o con filtros del campo receptivo espacio-temporal durante el trabajo de la retina.

En resumen, los científicos crearon un modelo matemático en el que las señales que se sentían en todo el brazo se representaban como un pequeño número de patrones simplificados. Esta técnica nos permitió obtener los patrones de ondas principales: vibraciones de la piel en toda la mano, que participan en la recopilación y transmisión de información táctil.

A pesar de que el análisis no tuvo en cuenta las condiciones para la aparición de señales, las bases táctiles se parecían a la función sensorial de la mano ( 2A y 2B ). La mayoría de ellos se localizaron inicialmente en los extremos distales de uno de los dedos (las áreas más densamente inervadas de la mano). La velocidad de las señales fue de aproximadamente 1-10 m / s, y la atenuación de la señal se observó 10-30 ms después de su aparición. Otras bases táctiles evolucionaron desde la región distal de los dedos individuales hasta las regiones difusas de la superficie de la mano ( 2A) En el aspecto de la frecuencia, un par de bases mostró una disposición espacial similar, pero diferentes características de frecuencia. Por ejemplo, hay un par de bases localizadas dentro de un dedo, pero que tienen diferentes propiedades de filtrado (en relación con las señales transmitidas): el rango inferior de 20 a 80 Hz ( 2V , base 2) o el rango superior de 80 a 160 Hz ( 2B , base 6 )


Imagen No. 3

Los científicos creen que las bases táctiles espacio-temporales están asociadas con un dedo específico, es decir tienen su propia área de trabajo, por así decirlo. Por ejemplo, el 45% de los 4.600 estímulos táctiles analizados fueron causados ​​por gestos cuando solo un dedo estaba en contacto con el objeto. Después de análisis repetidos, excluyendo las señales táctiles creadas con un solo dedo, se encontró la misma tendencia.

El espacio de posibles estímulos táctiles está limitado por la mecánica y la duración del contacto ( 3A ).

Luego, los científicos decidieron verificar cuántas bases deberían usarse para determinar la fuente de señal. Al final resultó que, si usa al menos 7, entonces la precisión de la determinación será del 90%, y si es 12, entonces del 95%. Sin embargo, no todos los incentivos requieren la activación de una cantidad tan grande de bases para aumentar la precisión. La lógica es bastante sencilla: cuando varios dedos están involucrados en un gesto, se activan varias bases; Si solo hay un dedo involucrado en el gesto, habrá una base, máximo dos. Además, las bases en sí también varían según los gestos. Es decir, diferentes gestos, aunque los mismos dedos están involucrados en ellos, activarán diferentes bases.

El modelo también mostró que cinco bases son suficientes para maximizar la precisión (80%) con la que los estímulos de un participante en los experimentos podrían clasificarse utilizando datos de otros participantes (3C). Estas cinco bases eran casi universales entre todos los participantes y correspondían a los cinco dedos de la mano ( 3B ).

La totalidad de las observaciones anteriores sugiere que la elasticidad de la piel en sí misma juega un papel importante en la recopilación y transmisión de información, ya que aumenta el área de contacto con el objeto. Además, las ondas de señales que se propagan en un patrón específico nos permiten clasificar la información recibida, lo que también ayuda a acelerar su procesamiento directamente por el cerebro.

Se pueden comparar mecanismos de procesamiento de señal similares con el trabajo del oído medio, que, al distribuir sonidos con diferentes contenidos de frecuencia a diferentes receptores sensoriales en el oído, ayuda a la codificación de sonidos por el sistema auditivo.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo


Este estudio nos mostró que la piel es un sistema mucho más complejo de lo que se pensaba anteriormente. Si antes el proceso de transmisión de la señal podría describirse linealmente (toque - la ocurrencia de una señal - transmisión de señal al cerebro), ahora este proceso es más parecido a la actividad de las ondas. Las señales recibidas de los objetos que interactúan con la piel se propagan en ondas a lo largo de las terminaciones nerviosas de la piel, dependiendo del área de contacto, su duración y la naturaleza de la superficie. En otras palabras, en la recopilación de información sobre el objeto de contacto, no solo intervienen receptores en el lugar de contacto directo, sino también receptores alrededor de esta zona.

Los investigadores creen que en este proceso complejo, la elasticidad de la piel juega un papel importante, lo que permite aumentar el área de contacto en términos de propagación de señales, y no en términos del contacto en sí.

Según los científicos, su trabajo no solo comprenderá mejor el funcionamiento del cerebro humano y el sistema nervioso, sino que también será útil en el desarrollo de nuevas prótesis e incluso robots capaces de recopilar información ambiental de forma táctil.

Viernes off-top:

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¡Gracias por su atención, tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana a todos, muchachos! :)

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