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Tocando o mundo: biomecânica de receptores de pele humana



Não é segredo que o maior órgão do corpo humano é a sua pele. Além de proteger o corpo de estímulos externos, a pele também desempenha a função de um sensor que coleta informações, junto com olhos, ouvidos, língua e nariz. As informações recebidas pela pele permitem que uma pessoa avalie o ambiente, entenda melhor a situação em que está e atue de acordo com ela. Apesar da grande importância das informações táteis, não sabemos muito sobre como tudo funciona. Portanto, cientistas da Universidade da Califórnia (EUA) decidiram examinar a pele humana de um ângulo matemático, a fim de entender o mecanismo de ocorrência e transmissão de sensações táteis. O que acontece quando pegamos algo em nossas mãos, como nossa pele processa as informações recebidas,e como aplicar este estudo na prática? Encontraremos respostas para essas perguntas no relatório dos cientistas. Vai.

Base de estudo


Em um adulto, a área de sua pele pode atingir 2,3 m2, o que o torna o maior órgão. No entanto, as dimensões não são nada se não houver funcionalidade por trás delas. A pele desempenha várias funções: protetora, respiratória, excretora, termorregulatória, imune, metabólica, etc. Em outras palavras, tentar avaliar diferentes órgãos por sua importância, colocar a pele em último lugar seria um erro.

A função mais misteriosa da pele é a coleta de informações, ou seja, a formação do toque - um dos tipos de sentidos humanos. Tal é a temperatura na sala, o papel de parede áspero ou liso, o quão suave é uma cadeira - tudo isso e muitos outros dados são coletados precisamente pela pele.

A incrível sensibilidade da pele está na presença de um grande número de terminações nervosas, ou seja, receptores. Todos diferem entre si em forma e estrutura, porque executam tarefas diferentes (algumas coletam informações sobre a textura do objeto, outras - sobre a temperatura, por exemplo).

Os receptores de pele podem ser divididos em dois tipos principais: terminações nervosas livres e terminações nervosas não livres. Os primeiros consistem apenas nos ramos finais do cilindro axial e estão localizados no epitélio. Esses receptores coletam dados de temperatura (termorreceptores), pressão (mecanorreceptores) e dor (nociceptores).



A categorização das terminações nervosas não livres é muito mais extensa:

  • Corpos Pacini - receptores de pressão na gordura subcutânea;
  • Corpos de Meissner - receptores de pressão na derme;
  • — ;
  • — , ;
  • — ( , );
  • — , .


Esta é apenas uma lista curta, sem um exame profundo dos receptores, suas funções e estrutura, mas é o suficiente para entender a complexidade da pele como um órgão dos sentidos.

Os próprios pesquisadores interpretam o toque como a codificação de sinais mecânicos coletados pela pele e tecidos subcutâneos em sinais neurais. As respostas neurais aos estímulos táteis estão frequentemente associadas a influências mecânicas decorrentes de pequenas áreas da pele; no entanto, há evidências de que o toque dinâmico causa ondas mecânicas na faixa de frequência tátil que se propagam por todo o braço, com excitações transitórias decaindo por 30 ms. Assim, influências táteis dinâmicas podem estimular a aferenciação generalizada * .
* — .
Verificou-se que essas ondas, causadas pelo toque, contribuem para uma percepção sutil e podem ser usadas para determinar as características do objeto que foi tocado, a área de contato do objeto com a mão e outras ações. Também há evidências de que os campos receptivos de neurônios nas regiões somatossensoriais do córtex cerebral cobrem grandes áreas das mãos e vários dedos.

A grande área de contato nos estágios iniciais do processamento do sinal faz com que os neurônios corticais respondam aos sinais de entrada que são devolvidos à área de contato.

Assim, o processamento somatossensorial pode depender de informações transportadas por ondas mecânicas, que se propagam nos tecidos para locais distantes remotos a locais de contato mecânico direto.

Os cientistas acreditam que, se a transferência de ondas mecânicas na mão contribui para a codificação efetiva da informação somatossensorial, deve ser possível descrever estímulos táteis em pequenas áreas por meio de parâmetros informativos. Em outras palavras, converta o toque em números.

Em seu trabalho, os cientistas mostram como as ondas mecânicas na mão codificam com eficiência os dados de entrada tátil. Depois de realizar experimentos usando sensores de alta precisão, os cientistas conseguiram criar um tipo de dicionário de sinais espaço-temporais, que juntos permitem classificar as informações recebidas com uma precisão de mais de 95%. Ou seja, eles conseguiram criar um mapa mostrando onde e quais áreas da pele da mão são ativadas quando em contato com um objeto.

Resultados da pesquisa


Os cientistas descreveram a modelagem de informações táteis na forma de decomposição da matriz. A codificação foi avaliada usando um banco de dados de estímulos táteis coletados durante os experimentos para toda a mão, incluindo alterações espaço-temporais na pele a (x, t). Sensores especiais em 30 seções (x) foram acoplados ao braço do voluntário. Durante o experimento, 13 gestos e 4600 interações com vários objetos foram realizados.


Imagem No. 1

Cada um dos estímulos w i (x, t) inseridos no conjunto de dados teve seu próprio tempo de ativação h i (t), que também foi levado em consideração no modelo para obter “padrões básicos táteis” ( 2A ), mais precisos , que agregados codificam todos os estímulos emergentes e sinais transmitidos.


Imagem No. 2

Esses padrões básicos (daqui em diante referidos como bases) também podem ser interpretados como um conjunto de filtros de análise que extraem informações de estímulos externos usando vários padrões adicionais de integração espacial e temporal de sinais mecânicos na mão. Segundo os cientistas, esses filtros podem ser comparados com as funções de ajuste espectral-temporal no processamento auditivo ou com filtros do campo receptivo espaço-temporal durante o trabalho da retina.

Resumindo, os cientistas criaram um modelo matemático no qual os sinais sentidos em todo o braço eram representados como um pequeno número de padrões simplificados. Essa técnica nos permitiu obter os principais padrões de ondas - vibrações da pele em toda a mão, envolvidas na coleta e transmissão de informações táteis.

Apesar de a análise não levar em consideração as condições para o aparecimento dos sinais, as bases táteis se assemelhavam à função sensorial da mão ( 2A e 2B ). A maioria deles estava inicialmente localizada nas extremidades distais de um dos dedos (as áreas mais densamente inervadas da mão). A velocidade dos sinais foi de cerca de 1-10 m / s, e a atenuação do sinal foi observada 10-30 ms após a sua ocorrência. Outras bases táteis evoluíram da região distal de dedos individuais para regiões difusas da superfície da mão ( 2A) No aspecto da frequência, um par de bases mostrou um arranjo espacial semelhante, mas com características de frequência diferentes. Por exemplo, há um par de bases localizadas em um dedo, mas com propriedades de filtragem diferentes (relativas aos sinais transmitidos): a faixa mais baixa de 20 a 80 Hz ( 2V , base 2) ou a faixa superior de 80 a 160 Hz ( 2B , base 6 )


Imagem No. 3

Os cientistas acreditam que as bases táteis espaço-temporais estão associadas a um dedo específico, ou seja, têm sua própria área de trabalho, por assim dizer. Por exemplo, 45% dos 4.600 estímulos táteis analisados ​​foram causados ​​por gestos quando apenas um dedo estava em contato com o objeto. Após a re-análise, excluindo os sinais táteis criados com apenas um dedo, a mesma tendência foi encontrada.

O espaço de possíveis estímulos táteis é limitado pela mecânica e duração do contato ( 3A ).

Em seguida, os cientistas decidiram verificar quantas bases deveriam ser usadas para determinar a fonte do sinal. Como se viu, se você usar pelo menos 7, a precisão da determinação será 90% e, se 12, 95%. No entanto, nem todos os incentivos exigem a ativação de um número tão grande de bases para aumentar a precisão. A lógica é bastante direta: quando vários dedos estão envolvidos em um gesto, várias bases são ativadas; se apenas um dedo estiver envolvido no gesto, haverá uma base, no máximo duas. Além disso, as próprias bases também variavam dependendo dos gestos. Ou seja, gestos diferentes, embora os mesmos dedos estejam envolvidos neles, ativam bases diferentes.

O modelo também mostrou que cinco bases são suficientes para maximizar a precisão (80%) com a qual os estímulos de um participante nos experimentos podem ser classificados usando dados de outros participantes (3C). Essas cinco bases eram quase universais entre todos os participantes e correspondiam aos cinco dedos da mão ( 3B ).

A totalidade das observações acima sugere que a elasticidade da pele desempenha um papel importante na coleta e transmissão de informações, pois aumenta a área de contato com o objeto. Além disso, as ondas de sinais que se propagam em um padrão específico nos permitem classificar as informações recebidas, o que também ajuda a acelerar seu processamento diretamente pelo cérebro.

Mecanismos de processamento de sinal semelhantes podem ser comparados com o trabalho do ouvido médio, que, ao distribuir sons com diferentes conteúdos de frequência para diferentes receptores sensoriais no ouvido, ajuda na codificação de sons pelo sistema auditivo.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo


Este estudo nos mostrou que a pele é um sistema muito mais complexo do que se pensava anteriormente. Se anteriormente o processo de transmissão do sinal pudesse ser descrito linearmente (toque - a ocorrência de um sinal - transmissão do sinal para o cérebro), agora esse processo será mais parecido com a atividade das ondas. Os sinais recebidos de objetos interagindo com a pele se propagam em ondas ao longo das terminações nervosas da pele, dependendo da área de contato, sua duração e a natureza da superfície. Em outras palavras, na coleta de informações sobre o objeto de contato, não apenas os receptores no local de contato direto estão envolvidos, mas também os receptores em torno dessa zona.

Os pesquisadores acreditam que a elasticidade da pele desempenha um papel importante nesse processo complexo, o que possibilita aumentar a área de contato do ponto de vista da propagação do sinal, e não do ponto de vista do próprio contato.

Segundo os cientistas, o trabalho deles não apenas entenderá melhor o funcionamento do cérebro humano e do sistema nervoso, mas também será útil no desenvolvimento de novas próteses e até robôs que podem coletar informações ambientais com mais precisão.

Sexta-feira off-top:

LEGO .

Obrigado pela atenção, fique curioso e tenha um ótimo final de semana a todos, pessoal! :)

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