Get best of the week

Menyentuh dunia: biomekanik reseptor kulit manusia



Bukan rahasia lagi bahwa organ terbesar tubuh manusia adalah kulitnya. Selain melindungi tubuh dari rangsangan eksternal, kulit juga melakukan fungsi sensor yang mengumpulkan informasi, bersama dengan mata, telinga, lidah dan hidung. Informasi yang diterima oleh kulit memungkinkan seseorang untuk menilai lingkungan, lebih memahami situasi di mana dia berada dan bertindak sesuai dengannya. Terlepas dari pentingnya informasi taktil, kami tidak tahu banyak tentang cara kerja semuanya. Oleh karena itu, para ilmuwan dari University of California (AS) memutuskan untuk memeriksa kulit manusia dari sudut matematis untuk memahami mekanisme terjadinya dan transmisi sensasi sentuhan. Apa yang terjadi ketika kita mengambil sesuatu di tangan kita, bagaimana kulit kita memproses informasi yang diterima,dan bagaimana menerapkan studi ini dalam praktik? Kami akan menemukan jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi


Pada orang dewasa, area kulitnya bisa mencapai 2,3 m2, yang menjadikannya organ terbesar. Namun, dimensi tidak ada artinya jika tidak ada fungsi di belakangnya. Kulit melakukan cukup banyak fungsi: pelindung, pernapasan, ekskresi, termoregulasi, kekebalan, metabolisme, dll. Dengan kata lain, mencoba untuk mengevaluasi organ yang berbeda berdasarkan kepentingannya, menempatkan kulit pada posisi terakhir adalah kesalahan.

Fungsi kulit yang paling misterius adalah pengumpulan informasi, mis. pembentukan sentuhan - salah satu jenis indera manusia. Seperti suhu di dalam ruangan, wallpaper kasar atau halus, seberapa lembut kursi - semua ini dan banyak data lainnya dikumpulkan dengan tepat oleh kulit.

Sensitivitas kulit yang luar biasa terletak pada kehadiran sejumlah besar ujung saraf, mis. reseptor. Mereka semua berbeda satu sama lain dalam bentuk dan struktur, karena mereka melakukan tugas yang berbeda (beberapa mengumpulkan informasi tentang tekstur objek, yang lain - tentang suhu, misalnya).

Reseptor kulit dapat dibagi menjadi dua jenis utama: ujung saraf bebas dan ujung saraf tidak bebas. Yang pertama hanya terdiri dari cabang-cabang akhir dari silinder aksial dan terletak di epitel. Reseptor-reseptor ini mengumpulkan data tentang suhu (thermoreceptors), tekanan (mechanoreceptors) dan nyeri (nociceptors).



Kategorisasi ujung saraf yang tidak bebas jauh lebih luas:

  • Badan Pacini - reseptor tekanan pada lemak subkutan;
  • Tubuh Meissner - reseptor tekanan di dermis;
  • — ;
  • — , ;
  • — ( , );
  • — , .


Ini hanya daftar pendek, tanpa pemeriksaan mendalam pada reseptor, fungsi dan strukturnya, tetapi ini cukup untuk memahami kompleksitas kulit sebagai organ indera.

Para peneliti sendiri mengartikan sentuhan sebagai pengkodean sinyal mekanis yang dikumpulkan oleh kulit dan jaringan subkutan menjadi sinyal saraf. Respons saraf terhadap rangsangan sentuhan sering dikaitkan dengan pengaruh mekanis yang timbul dari area kecil kulit, tetapi ada bukti bahwa sentuhan dinamis menyebabkan gelombang mekanis dalam rentang frekuensi sentuhan yang merambat ke seluruh lengan, dengan perangsangan transien redaman selama 30 ms. Dengan demikian, pengaruh taktil dinamis dapat merangsang aferentasi luas * .
* — .
Ditemukan bahwa gelombang ini, yang disebabkan oleh sentuhan, berkontribusi pada persepsi yang halus dan dapat digunakan untuk menentukan karakteristik objek yang disentuh, area kontak objek dengan tangan dan tindakan selanjutnya. Ada juga bukti bahwa bidang reseptif neuron di daerah somatosensori korteks serebral menutupi area besar tangan dan beberapa jari.

Area kontak yang besar pada tahap awal pemrosesan sinyal menyebabkan neuron kortikal merespons sinyal input yang dikirim kembali ke area kontak.

Dengan demikian, pemrosesan somatosensori dapat bergantung pada informasi yang dibawa oleh gelombang mekanis, yang merambat dalam jaringan ke lokasi yang jauh dari tempat kontak mekanis langsung.

Para ilmuwan percaya bahwa jika transfer gelombang mekanik di tangan mempromosikan pengkodean informasi somatosensori yang efektif, maka mungkin untuk menggambarkan rangsangan taktil di daerah kecil melalui parameter informatif. Dengan kata lain, ubah perasaan sentuh menjadi angka.

Dalam karya mereka, para ilmuwan menunjukkan bagaimana gelombang mekanis di tangan secara efisien menyandikan data input sentuhan. Setelah melakukan percobaan menggunakan sensor presisi tinggi, para ilmuwan dapat membuat semacam kamus sinyal spatio-temporal, yang bersama-sama memungkinkan Anda untuk mengklasifikasikan informasi yang masuk dengan akurasi lebih dari 95%. Artinya, mereka berhasil membuat peta yang menunjukkan di mana dan di mana area kulit tangan diaktifkan ketika bersentuhan dengan suatu objek.

Hasil penelitian


Para ilmuwan menggambarkan pemodelan informasi taktil dalam bentuk dekomposisi matriks. Pengkodean dievaluasi menggunakan database rangsangan taktil yang dikumpulkan selama percobaan untuk seluruh tangan, termasuk perubahan spatio-temporal pada kulit a (x, t). Sensor khusus dalam 30 bagian (x) dipasang pada lengan sukarelawan. Selama percobaan, 13 gerakan dan 4600 interaksi dengan berbagai objek dilakukan.


Gambar No. 1

Setiap rangsangan w i (x, t) yang dimasukkan ke dalam set data memiliki waktu aktivasi sendiri h i (t), yang juga diperhitungkan dalam model untuk mendapatkan "pola dasar taktil" ( 2A ) yang lebih akurat. agregat mengkodekan semua rangsangan yang muncul dan sinyal yang dikirimkan.


Gambar No. 2

Pola-pola dasar ini (selanjutnya disebut sebagai pangkalan) juga dapat diartikan sebagai seperangkat filter analisis yang mengekstraksi informasi dari rangsangan eksternal menggunakan berbagai pola tambahan integrasi spasial dan temporal dari sinyal mekanik di tangan. Menurut para ilmuwan, filter ini dapat dibandingkan dengan fungsi tuning spektral-temporal dalam pemrosesan pendengaran atau dengan filter bidang reseptif spatio-temporal selama kerja retina.

Kesimpulannya, para ilmuwan menciptakan model matematika di mana sinyal terasa di seluruh lengan direpresentasikan sebagai sejumlah kecil pola yang disederhanakan. Teknik ini memungkinkan kami untuk mendapatkan pola gelombang utama - getaran kulit di seluruh tangan, yang terlibat dalam pengumpulan dan transmisi informasi sentuhan.

Terlepas dari kenyataan bahwa analisis tidak memperhitungkan kondisi untuk penampilan sinyal, basis taktil menyerupai fungsi sensorik tangan ( 2A dan 2B ). Sebagian besar dari mereka pada awalnya terlokalisasi di ujung distal dari salah satu jari (area tangan yang paling padat). Kecepatan sinyal sekitar 1-10 m / s, dan pelemahan sinyal diamati 10-30 ms setelah kemunculannya. Basis taktil lainnya berkembang dari daerah distal jari individu ke daerah difusi permukaan tangan ( 2A) Pada aspek frekuensi, sepasang pangkalan menunjukkan penataan ruang yang serupa, tetapi karakteristik frekuensinya berbeda. Sebagai contoh, ada sepasang pangkalan yang dilokalisasi dalam satu jari, tetapi memiliki sifat penyaringan yang berbeda (relatif terhadap sinyal yang ditransmisikan): kisaran yang lebih rendah dari 20 hingga 80 Hz ( 2V , basis 2) atau kisaran atas dari 80 hingga 160 Hz ( 2B , basis 6) )


Gambar No. 3

Para ilmuwan percaya bahwa pangkalan taktil spatio-temporal dikaitkan dengan jari tertentu, mis. memiliki area kerja sendiri, sehingga untuk berbicara. Misalnya, 45% dari 4.600 rangsangan taktil yang dianalisis disebabkan oleh gerakan ketika hanya satu jari yang bersentuhan dengan objek. Setelah analisis ulang, tidak termasuk sinyal taktil yang dibuat hanya dengan satu jari, kecenderungan yang sama ditemukan.

Ruang kemungkinan rangsangan taktil dibatasi oleh mekanisme dan durasi kontak ( 3A ).

Kemudian para ilmuwan memutuskan untuk memeriksa berapa banyak pangkalan yang harus digunakan untuk menentukan sumber sinyal. Ternyata, jika Anda menggunakan setidaknya 7, maka akurasi penentuan akan menjadi 90%, dan jika 12, maka 95%. Namun, tidak semua insentif memerlukan aktivasi sejumlah besar basis untuk meningkatkan akurasi. Logikanya cukup mudah: ketika beberapa jari terlibat dalam gerakan, beberapa basis diaktifkan; jika hanya satu jari yang terlibat dalam gerakan, maka akan ada satu dasar, maksimum dua. Selain itu, pangkalan itu sendiri juga bervariasi tergantung pada gerakan. Artinya, gerakan yang berbeda, meskipun jari yang sama terlibat di dalamnya, akan mengaktifkan basis yang berbeda.

Model ini juga menunjukkan bahwa lima basis cukup untuk memaksimalkan keakuratan (80%) dengan mana rangsangan dari satu peserta dalam percobaan dapat diklasifikasikan dengan menggunakan data dari peserta lain (3C). Lima pangkalan ini hampir universal di antara semua peserta dan sesuai dengan lima jari tangan ( 3B ).

Totalitas pengamatan di atas menunjukkan bahwa elastisitas kulit itu sendiri memainkan peran penting dalam pengumpulan dan transmisi informasi, karena meningkatkan area kontak dengan objek. Selain itu, gelombang sinyal yang merambat dalam pola tertentu memungkinkan kita untuk mengklasifikasikan informasi yang diterima, yang juga membantu mempercepat pemrosesan secara langsung oleh otak.

Mekanisme pemrosesan sinyal serupa dapat dibandingkan dengan kerja telinga tengah, yang, dengan mendistribusikan suara dengan konten frekuensi berbeda ke reseptor sensorik yang berbeda di telinga, membantu pengkodean suara oleh sistem pendengaran.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog


Studi ini menunjukkan kepada kita bahwa kulit adalah sistem yang jauh lebih kompleks daripada yang diperkirakan sebelumnya. Jika sebelumnya proses transmisi sinyal dapat dideskripsikan secara linear (menyentuh - terjadinya transmisi sinyal - sinyal ke otak), sekarang proses ini lebih seperti aktivitas gelombang. Sinyal yang diterima dari benda yang berinteraksi dengan kulit merambat dalam gelombang di sepanjang ujung saraf kulit, tergantung pada area kontak, durasinya, dan sifat permukaan. Dengan kata lain, dalam pengumpulan informasi tentang objek kontak, tidak hanya reseptor di tempat kontak langsung yang terlibat, tetapi juga reseptor di sekitar zona ini.

Para peneliti percaya bahwa dalam proses yang kompleks ini, elastisitas kulit memainkan peran penting, yang memungkinkan untuk meningkatkan area kontak dari sudut pandang perambatan sinyal, dan bukan dari sudut pandang kontak itu sendiri.

Menurut para ilmuwan, pekerjaan mereka tidak hanya akan lebih memahami fungsi otak manusia dan sistem saraf, tetapi juga akan berguna dalam pengembangan prostesis baru dan bahkan robot yang mampu mengumpulkan informasi lingkungan secara taktis.

Jumat off-top:

LEGO .

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran dan selamat berakhir pekan, semuanya! :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles