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Toucher le monde: biomécanique des récepteurs de la peau humaine



Ce n'est un secret pour personne que le plus grand organe du corps humain est sa peau. En plus de protéger le corps contre les irritants externes, la peau remplit également la fonction d'un capteur qui collecte des informations, ainsi que les yeux, les oreilles, la langue et le nez. Les informations reçues par la peau permettent à une personne d'évaluer l'environnement, de mieux comprendre la situation dans laquelle elle se trouve et d'agir en conséquence. Malgré la grande importance des informations tactiles, nous ne savons pas grand-chose sur le fonctionnement de tout. Par conséquent, des scientifiques de l'Université de Californie (USA) ont décidé d'examiner la peau humaine sous un angle mathématique afin de comprendre le mécanisme d'apparition et de transmission des sensations tactiles. Que se passe-t-il lorsque nous prenons quelque chose entre nos mains, comment notre peau traite les informations reçues,et comment appliquer cette étude dans la pratique? Nous trouverons des réponses à ces questions dans le rapport des scientifiques. Aller.

Base d'étude


Chez un adulte, la surface de sa peau peut atteindre 2,3 m2, ce qui en fait le plus gros organe. Cependant, les dimensions ne sont rien s'il n'y a aucune fonctionnalité derrière elles. La peau remplit de nombreuses fonctions: protectrice, respiratoire, excrétrice, thermorégulatrice, immunitaire, métabolique, etc. En d'autres termes, essayer d'évaluer différents organes par leur importance, mettre la peau à la dernière place serait une erreur.

La fonction la plus mystérieuse de la peau est la collecte d'informations, c'est-à-dire la formation du toucher - l'un des types de sens humains. Telle est la température dans la pièce, le papier peint rugueux ou lisse, la douceur d'une chaise - tout cela et bien d'autres données sont recueillies par la peau.

L'incroyable sensibilité de la peau réside dans la présence d'un grand nombre de terminaisons nerveuses, c'est-à-dire récepteurs. Ils diffèrent tous par leur forme et leur structure, car ils effectuent des tâches différentes (certains collectent des informations sur la texture de l'objet, d'autres - sur la température, par exemple).

Les récepteurs cutanés peuvent être divisés en deux types principaux: les terminaisons nerveuses libres et les terminaisons nerveuses non libres. Les premiers sont uniquement constitués des dernières branches du cylindre axial et sont situés dans l'épithélium. Ces récepteurs collectent des données sur la température (thermorécepteurs), la pression (mécanorécepteurs) et la douleur (nocicepteurs).



La catégorisation des terminaisons nerveuses non libres est beaucoup plus étendue:

  • Corps de Pacini - récepteurs de pression dans la graisse sous-cutanée;
  • Corps de Meissner - récepteurs de pression dans le derme;
  • — ;
  • — , ;
  • — ( , );
  • — , .


Il ne s'agit que d'une courte liste, sans un examen approfondi des récepteurs, de leurs fonctions et de leur structure, mais cela suffit pour comprendre la complexité de la peau en tant qu'organe des sens.

Les chercheurs eux-mêmes interprètent le toucher comme le codage de signaux mécaniques collectés par la peau et les tissus sous-cutanés en signaux neuronaux. Les réponses neuronales aux stimuli tactiles sont souvent associées à des influences mécaniques provenant de petites zones de la peau, mais il est prouvé que le toucher dynamique provoque des ondes mécaniques dans la gamme de fréquences tactiles qui se propagent dans tout le bras, avec des excitations transitoires amortissant pendant 30 ms. Ainsi, les influences tactiles dynamiques peuvent stimuler une afférentation généralisée * .
* — .
Il a été constaté que ces ondes, causées par le toucher, contribuent à une perception subtile et peuvent être utilisées pour déterminer les caractéristiques de l'objet touché, la zone de contact de l'objet avec la main et d'autres actions. Il existe également des preuves que les champs récepteurs des neurones dans les régions somatosensorielles du cortex cérébral couvrent de grandes zones des mains et plusieurs doigts.

La grande zone de contact aux premiers stades du traitement du signal amène les neurones corticaux à répondre aux signaux d'entrée qui sont renvoyés dans la zone de contact.

Ainsi, le traitement somatosensoriel peut dépendre d'informations portées par des ondes mécaniques, qui se propagent dans les tissus vers des sites distants éloignés des lieux de contact mécanique direct.

Les scientifiques pensent que si le transfert d'ondes mécaniques dans la main contribue au codage efficace des informations somatosensorielles, il devrait être possible de décrire des stimuli tactiles dans de petites zones au moyen de paramètres informatifs. En d'autres termes, convertissez la sensation tactile en nombres.

Dans leur travail, les scientifiques montrent comment les ondes mécaniques de la main codent efficacement les données d'entrée tactiles. Après avoir mené des expériences à l'aide de capteurs de haute précision, les scientifiques ont pu créer une sorte de dictionnaire de signaux spatio-temporels qui, ensemble, vous permettent de classer les informations entrantes avec une précision de plus de 95%. Autrement dit, ils ont réussi à créer une carte montrant où et quelles zones de la peau de la main sont activées au contact d'un objet.

Résultats de recherche


Les scientifiques ont décrit la modélisation de l'information tactile sous la forme d'une décomposition matricielle. Le codage a été évalué à l'aide d'une base de données de stimuli tactiles collectés au cours des expériences pour la main entière, y compris les changements spatio-temporels de la peau a (x, t). Des capteurs spéciaux dans 30 sections (x) ont été attachés au bras du volontaire. Au cours de l'expérience, 13 gestes et 4600 interactions avec divers objets ont été effectués.


Image n ° 1

Chacun des stimuli w i (x, t) entrés dans l'ensemble de données avait son propre temps d'activation h i (t), qui a également été pris en compte dans le modèle pour obtenir des «modèles de base tactiles» ( 2A ) plus précis , qui les agrégats codent tous les stimuli émergents et les signaux transmis.


Image n ° 2

Ces modèles de base (ci-après dénommés les bases) peuvent également être interprétés comme un ensemble de filtres d'analyse qui extraient des informations de stimuli externes en utilisant divers modèles supplémentaires d'intégration spatiale et temporelle de signaux mécaniques dans la main. Selon les scientifiques, ces filtres peuvent être comparés aux fonctions de réglage spectral-temporel dans le traitement auditif ou aux filtres du champ récepteur spatio-temporel lors du travail de la rétine.

En résumé, les scientifiques ont créé un modèle mathématique dans lequel les signaux ressentis dans tout le bras étaient représentés comme un petit nombre de motifs simplifiés. Cette technique nous a permis d'obtenir les principaux motifs ondulatoires - les vibrations cutanées dans la main, qui sont impliquées dans la collecte et la transmission d'informations tactiles.

Malgré le fait que l'analyse ne prenait pas en compte les conditions d'apparition des signaux, les bases tactiles ressemblaient à la fonction sensorielle de la main ( 2A et 2B ). La plupart d'entre eux étaient initialement localisés aux extrémités distales de l'un des doigts (les zones les plus densément innervées de la main). La vitesse des signaux était d'environ 1 à 10 m / s et l'atténuation du signal a été observée 10 à 30 ms après son apparition. D'autres bases tactiles ont évolué de la région distale des doigts individuels vers les régions diffuses de la surface de la main ( 2A) Dans l'aspect de la fréquence, une paire de bases a montré une disposition spatiale similaire, mais des caractéristiques de fréquence différentes. Par exemple, il existe une paire de bases localisées dans un doigt, mais ayant des propriétés de filtrage différentes (par rapport aux signaux transmis): la plage inférieure de 20 à 80 Hz ( 2V , base 2) ou la plage supérieure de 80 à 160 Hz ( 2B , base 6 )


Image n ° 3

Les scientifiques pensent que les bases tactiles spatio-temporelles sont associées à un doigt spécifique, c'est-à-dire avoir leur propre espace de travail, pour ainsi dire. Par exemple, 45% des 4 600 stimuli tactiles analysés étaient causés par des gestes lorsqu'un seul doigt était en contact avec l'objet. Après ré-analyse, à l'exclusion des signaux tactiles créés avec un seul doigt, la même tendance a été trouvée.

L'espace des stimuli tactiles possibles est limité par la mécanique et la durée du contact ( 3A ).

Ensuite, les scientifiques ont décidé de vérifier le nombre de bases à utiliser pour déterminer la source du signal. Il s'est avéré que si vous utilisez au moins 7, la précision de la détermination sera de 90% et, si 12, de 95%. Cependant, toutes les incitations ne nécessitent pas l'activation d'un si grand nombre de bases pour augmenter la précision. La logique est assez simple: lorsque plusieurs doigts sont impliqués dans un geste, plusieurs bases sont activées; si un seul doigt est impliqué dans le geste, alors il y aura une base, deux au maximum. De plus, les bases elles-mêmes varient également en fonction des gestes. C'est-à-dire que des gestes différents, bien que les mêmes doigts y soient impliqués, activeront différentes bases.

Le modèle a également montré que cinq bases sont suffisantes pour maximiser la précision (80%) avec laquelle les stimuli d'un participant aux expériences pourraient être classés en utilisant les données d'autres participants (3C). Ces cinq bases étaient presque universelles chez tous les participants et correspondaient aux cinq doigts de la main ( 3B ).

La totalité des observations ci-dessus suggère que l'élasticité de la peau elle-même joue un rôle important dans la collecte et la transmission d'informations, car elle augmente la zone de contact avec l'objet. De plus, les ondes de signaux se propageant selon un schéma spécifique nous permettent de classer les informations reçues, ce qui permet également d'accélérer leur traitement directement par le cerveau.

Des mécanismes de traitement du signal similaires peuvent être comparés au travail de l'oreille moyenne, qui, en distribuant des sons avec différents contenus en fréquence à différents récepteurs sensoriels de l'oreille, aide au codage des sons par le système auditif.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue


Cette étude nous a montré que la peau est un système beaucoup plus complexe qu'on ne le pensait auparavant. Si auparavant le processus de transmission du signal pouvait être décrit de façon linéaire (toucher - l'occurrence d'un signal - transmission du signal au cerveau), maintenant ce processus ressemble plus à l'activité des vagues. Les signaux reçus d'objets interagissant avec la peau se propagent par vagues le long des terminaisons nerveuses de la peau, selon la zone de contact, sa durée et la nature de la surface. En d'autres termes, dans la collecte d'informations sur l'objet de contact, non seulement les récepteurs de la zone de contact direct sont impliqués, mais également les récepteurs autour de cette zone.

Les chercheurs pensent que dans ce processus complexe, l'élasticité de la peau joue un rôle important, ce qui permet d'augmenter la zone de contact en termes de propagation du signal, et non en termes de contact lui-même.

Selon les scientifiques, leur travail permettra non seulement de mieux comprendre le fonctionnement du cerveau et du système nerveux humain, mais sera également utile dans le développement de nouvelles prothèses et même de robots capables de collecter avec tact des informations environnementales plus précisément.

Vendredi off-top:

LEGO .

Merci de votre attention, restez curieux et passez un bon week-end à tous, les gars! :)

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