Get best of the week

感动世界：人类皮肤受体的生物力学



人体的最大器官就是皮肤，这已不是什么秘密。除了保护人体免受外界刺激外，皮肤还具有传感器的功能，该传感器可以收集信息，包括眼睛，耳朵，舌头和鼻子。皮肤接收到的信息使人们可以评估环境，更好地了解自己所处的环境并据此采取行动。尽管触觉信息非常重要，但我们对一切工作原理并不十分了解。因此，来自加利福尼亚大学（美国）的科学家决定从数学角度检查人体皮肤，以了解触​​感的发生和传播机理。当我们拿东西时，皮肤如何处理收到的信息，会发生什么？以及如何在实践中应用这项研究？我们将在科学家的报告中找到这些问题的答案。走。

学习基础


在成年人中，他的皮肤面积可以达到2.3平方米，这使其成为最大的器官。但是，如果这些尺寸后面没有功能，那么它们什么都不是。皮肤执行许多功能：保护，呼吸，排泄，体温调节，免疫，代谢等。换句话说，试图通过评估它们的重要性来评估不同器官，将皮肤置于最后位置将是一个错误。

皮肤最神秘的功能是信息的收集，即 触摸的形成-人类感官的类型之一。这就是房间的温度，粗糙或光滑的墙纸，椅子的柔软程度-所有这些以及许多其他数据都是由皮肤精确收集的。

皮肤令人难以置信的敏感性在于存在大量神经末梢，即神经末梢。受体。它们在形状和结构上都互不相同，因为它们执行不同的任务（有些收集有关物体纹理的信息，另一些收集有关温度的信息）。

皮肤受体可分为两种主要类型：游离神经末梢和非游离神经末梢。前者仅由轴向圆柱的最终分支组成，位于上皮中。这些受体收集有关温度（热感受器），压力（机械感受器）和疼痛（伤害感受器）的数据。



非自由神经末梢的分类更为广泛：

  • 帕西尼体-皮下脂肪中的压力受体；
  • Meissner身体-真皮中的压力感受器；
  • — ;
  • — , ;
  • — ( , );
  • — , .


这只是简短的清单，没有深入了解受体，它们的功能和结构，但这足以理解作为感官器官的皮肤的复杂性。

研究人员自己将触摸理解为将皮肤和皮下组织收集到的机械信号编码为神经信号。神经对触觉刺激的反应通常与皮肤小区域引起的机械影响有关，但是，有证据表明，动态接触会导致触觉频率范围内的机械波传播到整个手臂，瞬态激励衰减30 ms。因此，动态的触觉影响可以刺激广泛的传出*。
* — .
发现由触摸引起的这些波有助于产生细微的感知，并可用于确定被触摸物体的特性，物体与手的接触面积以及进一步的动作。也有证据表明，大脑皮层体感区域中神经元的接受区域覆盖了大面积的手和几根手指。

在信号处理的早期阶段，较大的接触区域会导致皮质神经元对传递回接触区域的输入信号作出响应。

因此，体感处理可能取决于由机械波携带的信息，机械波在组织中传播到远离直接机械接触位置的远处。

科学家认为，如果手中的机械波传递促进了体感信息的有效编码，那么应该可以通过信息性参数描述小区域的触觉刺激。换句话说，将触摸感转换为数字。

在他们的工作中，科学家们展示了手中的机械波如何有效地编码触觉输入数据。在使用高精度传感器进行实验之后，科学家们能够创建一种时空信号字典，通过这些字典，您可以以超过95％的准确度对输入信息进行分类。也就是说，他们设法创建了一个地图，该地图显示了与对象接触时手部皮肤的何处和哪些区域被激活。

研究成果


科学家们以矩阵分解的形式描述了触觉信息模型。使用整个实验期间收集的触觉刺激数据库评估编码，包括整个皮肤的时空变化a（x，t）。将30个区域（x）中的特殊传感器连接到志愿者的手臂上。在实验过程中，执行了13个手势并与各种对象进行了4600次交互。


图像1输入到数据集中的

每个刺激w i（x，t）都有自己的激活时间h i（t），模型中也考虑了这一点，以获得更准确的“触觉基本模式”（2A），聚集体编码所有出现的刺激和传输的信号。


2号图像

这些基本模式（以下称为基础）也可以解释为一组分析过滤器，这些过滤器使用手中机械信号的时空积分的各种其他模式从外部刺激中提取信息。根据科学家的说法，可以将这些滤镜与听觉处理中的频谱时态调谐功能或在视网膜工作期间与时空感受野的滤镜进行比较。

总结起来，科学家们创建了一个数学模型，其中整个手臂感觉到的信号被表示为少量的简化模式。这项技术使我们能够获得主要的波型-整个手部的皮肤振动，这涉及触觉信息的收集和传递。

尽管该分析未考虑信号出现的条件，但触觉基部类似于手的感觉功能（2A和2B）。它们中的大多数最初位于一根手指的远端（手最密集的神经支配区域）。信号速度约为1-10 m / s，在信号出现10-30 ms后观察到信号衰减。其他触觉基底从单个手指的远端区域演变为手表面的扩散区域（2A）在频率方面，一对基座显示出相似的空间排列，但频率特性不同。例如，有一对碱基位于一个手指中，但是具有不同的滤波特性（相对于所传输的信号）：较低的范围是20到80 Hz（2V，基数2）或较高的范围是80至160 Hz（2B，基数6） ）


图片编号3

科学家认为，时空触觉碱基与特定的手指相关，即可以说有自己的工作区域。例如，所分析的4,600种触觉刺激中有45％是由手势引起的，只有一个手指与该物体接触。重新分析后，排除仅用一根手指产生的触觉信号，便发现了相同的趋势。

可能的触觉刺激的空间受到机械和接触持续时间（3A）的限制。

然后，科学家决定检查应使用多少个碱基来确定信号源。事实证明，如果至少使用7，则确定的准确性将是90％，如果使用12，则将是95％。但是，并非所有的激励措施都需要激活大量的碱基以提高准确性。逻辑非常简单：手势涉及多个手指时，将激活多个基准；如果手势仅涉及一根手指，则将有一个基准，最多两个。而且，底座本身也根据手势而变化。也就是说，尽管使用相同的手指，但不同的手势将激活不同的基础。

该模型还显示，有五个碱基足以使准确性（80％）最大化，从而可以使用来自其他参与者（3C）的数据对实验中一个参与者的刺激进行分类。这五个基础在所有参与者中几乎都是通用的，并且对应于手的五个手指（3B）。

上述观察的整体表明，皮肤本身的弹性在信息的收集和传递中起着重要的作用，因为它增加了与物体接触的面积。此外，以特定模式传播的信号波使我们能够对接收到的信息进行分类，这也有助于直接加速大脑对信息的处理。

可以将类似的信号处理机制与中耳的工作进行比较，中耳的工作是通过将具有不同频率内容的声音分配到耳朵中的不同感觉感受器来帮助听觉系统对声音进行编码。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料。

结语


这项研究向我们表明，皮肤是一个比以前认为的复杂得多的系统。如果可以较早地线性描述信号传输的过程（触摸-信号的发生-信号传输到大脑），那么现在这个过程更像是波的活动。从物体与皮肤相互作用的物体接收到的信号，会沿着皮肤的神经末梢以波的形式传播，这取决于接触面积，持续时间和表面性质。换句话说，在收集有关接触对象的信息时，不仅涉及直接接触位置的受体，而且还涉及该区域周围的受体。

研究人员认为，皮肤弹性在这个复杂的过程中起着重要作用，它可以根据信号传播而不是接触本身来增加接触面积。

据科学家称，他们的工作不仅将更好地理解人脑和神经系统的功能，而且还将在开发新的假肢，甚至能够触觉地收集环境信息的机器人方面派上用场。

周五顶峰：

LEGO .

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！:)

一点广告：）


感谢您与我们在一起。你喜欢我们的文章吗？想看更多有趣的资料吗？通过下订单或向您的朋友推荐给开发人员的基于云的VPS，最低价格为4.99美元，这是我们为您发明的入门级服务器 的独特类似物：关于VPS（KVM）E5-2697 v3（6核）的全部真相10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps从$ 19还是如何划分服务器？（RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。

阿姆斯特丹的Equinix Tier IV数据中心的戴尔R730xd便宜2倍吗？仅在荷兰，我们有2台Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100电视！戴尔R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-$ 99起！阅读有关如何构建基础设施大厦的信息。使用Dell R730xd E5-2650 v4服务器花费一欧元9000欧元的c类？

More articles:


All Articles