कृत्रिम संवेदी मज्जासंस्था: प्रोस्थेटिक्ससाठी वरदान

संशोधकांनी एक कृत्रिम संवेदी मज्जासंस्था विकसित केली आहे जी मानवी शरीराप्रमाणेच माहितीवर प्रक्रिया करू शकते आणि ती कृत्रिम अवयवांना प्रभावीपणे स्पर्श करू शकते.

आपली त्वचा, शरीरातील सर्वात मोठा अवयव, देखील सर्वात महत्वाचा आहे कारण ती आपले संपूर्ण शरीर कव्हर करते, आपल्या शरीराचे तापमान नियंत्रित करते आणि सूर्य, असामान्य तापमान, जंतू इ. यासारख्या हानिकारक बाह्य घटकांपासून आपले संरक्षण करते. आपली त्वचा लक्षणीयरीत्या ताणू शकते आणि स्वतःची दुरुस्ती करू शकते. त्वचा देखील महत्वाची आहे कारण ती आपल्याला स्पर्शाची भावना प्रदान करते ज्याद्वारे आपण निर्णय घेण्यास सक्षम असतो. त्वचा ही आपल्यासाठी एक जटिल संवेदना आणि सिग्नलिंग प्रणाली आहे.

प्रकाशित झालेल्या एका अभ्यासात विज्ञान, स्टॅनफोर्ड युनिव्हर्सिटी आणि सोल नॅशनल युनिव्हर्सिटी येथील प्रोफेसर झेनान बाओ यांच्या नेतृत्वाखालील संशोधकांनी विकसित केले आहे. कृत्रिम संवेदी मज्जासंस्था जी "कृत्रिम त्वचा" तयार करण्याच्या दिशेने एक मोठे पाऊल असू शकते कृत्रिम औषध अंग जे संवेदना पुनर्संचयित करू शकतात आणि सामान्य त्वचेच्या आवरणाप्रमाणे कार्य करू शकतात. या अभ्यासाचा आव्हानात्मक पैलू म्हणजे अनेक अद्वितीय गुणधर्म असलेल्या आपल्या त्वचेची प्रभावीपणे नक्कल कशी करायची. ज्या वैशिष्ट्याची नक्कल करणे सर्वात कठीण आहे ते म्हणजे आपली त्वचा ज्या पद्धतीने स्मार्ट सारखी कार्य करते संवेदनेसंबंधीचा नेटवर्क जे प्रथम मेंदूमध्ये संवेदना प्रसारित करते आणि त्वरित निर्णय घेण्यासाठी आपल्या स्नायूंना रिफ्लेक्सद्वारे प्रतिक्रिया देण्यास देखील आदेश देते. उदाहरणार्थ, टॅपमुळे कोपरचे स्नायू ताणले जातात आणि या स्नायूंमधील सेन्सर्स न्यूरॉनद्वारे मेंदूला आवेग पाठवतात. त्यानंतर न्यूरॉन संबंधित सायनॅप्सेस सिग्नलची मालिका पाठवते. आपल्या शरीरातील सिनॅप्टिक नेटवर्क स्नायूंमध्ये अचानक ताणण्याची पद्धत ओळखते आणि एकाच वेळी दोन सिग्नल पाठवते. एका सिग्नलमुळे कोपरचे स्नायू रिफ्लेक्स म्हणून आकुंचन पावतात आणि दुसरा सिग्नल या संवेदनाबद्दल माहिती देण्यासाठी मेंदूला जातो. घटनेचा हा संपूर्ण क्रम सेकंदाच्या जवळजवळ एका अंशात घडतो. न्यूरॉन्सच्या नेटवर्कमधील सर्व कार्यात्मक घटकांसह या गुंतागुंतीच्या जैविक संवेदी तंत्रिका तंत्राची नक्कल करणे अजूनही आव्हानात्मक आहे.

अद्वितीय संवेदी मज्जासंस्था जी वास्तविकतेची “नक्कल” करते

संशोधकांनी एक अद्वितीय संवेदी प्रणाली तयार केली आहे जी मानवी मज्जासंस्था कशी कार्य करते याची प्रतिकृती बनवू शकते. संशोधकांनी डिझाइन केलेले "कृत्रिम मज्जातंतू सर्किट" काही सेंटीमीटर मोजणाऱ्या सपाट, लवचिक शीटमध्ये तीन घटक एकत्रित करते. या घटकांचे वैयक्तिकरित्या पूर्वी वर्णन केले आहे. पहिला घटक स्पर्श आहे सेन्सर जे शक्ती आणि दबाव (अगदी लहान देखील) शोधू शकतात. हा सेन्सर (याचा बनलेला सेंद्रीय पॉलिमर, कार्बन नॅनोट्यूब आणि सोन्याचे इलेक्ट्रोड) दुसऱ्या घटकाद्वारे, लवचिक इलेक्ट्रॉनिक न्यूरॉनद्वारे सिग्नल पाठवतात. हे दोन्ही घटक पूर्वी समान संशोधकांनी विकसित केलेल्या सुधारित आणि सुधारित आवृत्त्या आहेत. या दोन घटकांमधून व्युत्पन्न झालेले आणि उत्तीर्ण झालेले संवेदी सिग्नल तिसऱ्या घटकाला वितरित केले जातात, एक कृत्रिम सिनॅप्टिक ट्रान्झिस्टर जे मेंदूतील मानवी सायनॅप्ससारखेच तयार केले जाते. या तिन्ही घटकांना एकत्रितपणे कार्य करावे लागेल आणि शेवटचे कार्य प्रदर्शित करणे ही सर्वात आव्हानात्मक बाब होती. रिअल बायोलॉजिकल सायनॅप्स रिले सिग्नल आणि माहिती साठवतात जी निर्णय घेण्यासाठी आवश्यक असते. हा सिनॅप्टिक ट्रान्झिस्टर कृत्रिम मज्जातंतू सर्किट वापरून सिनॅप्टिक ट्रान्झिस्टरला इलेक्ट्रॉनिक सिग्नल वितरीत करून ही कार्ये "करतो". म्हणून, ही कृत्रिम प्रणाली कमी-शक्तीच्या सिग्नलच्या तीव्रतेवर आणि वारंवारतेवर आधारित संवेदी इनपुट ओळखणे आणि त्यावर प्रतिक्रिया देण्यास शिकते, जीवशास्त्रीय सिनॅप्स जिवंत शरीरात कसे करते. या अभ्यासाचे नावीन्य हे आहे की हे तीन वैयक्तिक घटक जे पूर्वी ओळखले गेले होते ते प्रथमच एकसंध प्रणाली वितरीत करण्यासाठी यशस्वीरित्या कसे एकत्रित केले गेले.

संशोधकांनी या प्रणालीच्या प्रतिक्षिप्त क्रिया आणि स्पर्श अनुभवण्याची क्षमता तपासली. एका प्रयोगात त्यांनी त्यांची कृत्रिम मज्जातंतू झुरळाच्या पायाशी जोडली आणि त्यांच्या स्पर्श सेन्सरवर छोटासा दबाव टाकला. इलेक्ट्रॉनिक न्यूरॉनने सेन्सर सिग्नलचे डिजिटल सिग्नलमध्ये रूपांतर केले आणि त्यांना सिनॅप्टिक ट्रान्झिस्टरमधून पास केले. यामुळे टच सेन्सरमध्ये दबाव वाढला किंवा कमी झाल्याच्या आधारावर झुरळाचा पाय मुरगळला. तर, या कृत्रिम सेटअपने निश्चितपणे ट्विच रिफ्लेक्स सक्रिय केले. दुसऱ्या प्रयोगात, संशोधकांनी ब्रेल अक्षरांमध्ये फरक करून वेगवेगळ्या स्पर्श संवेदना शोधण्यात कृत्रिम मज्जातंतूची क्षमता प्रदर्शित केली. दुसर्‍या चाचणीत त्यांनी सेन्सरवर वेगवेगळ्या दिशेने एक सिलेंडर फिरवला आणि गतीची अचूक दिशा अचूकपणे शोधण्यात सक्षम झाले. अशाप्रकारे, हे उपकरण ऑब्जेक्ट ओळखणे आणि पोत ओळखणे, ब्रेल रीडिंग आणि वस्तूंच्या कडा वेगळे करणे यासारखी सूक्ष्म स्पर्श माहिती प्रक्रिया सुधारण्यास सक्षम आहे.

कृत्रिम संवेदी तंत्रिका तंत्राचे भविष्य

हे कृत्रिम मज्जातंतू तंत्रज्ञान अगदी सुरुवातीच्या टप्प्यावर आहे आणि आवश्यक जटिलतेच्या पातळीपर्यंत पोहोचलेले नाही परंतु कृत्रिम त्वचेचे आवरण तयार करण्यासाठी खूप आशा आहे. हे स्पष्ट आहे की अशा "कव्हरिंग्ज" ला उष्णता, कंपन, दाब आणि इतर शक्ती आणि संवेदना शोधण्यासाठी उपकरणांची देखील आवश्यकता असते. त्यांच्याकडे लवचिक सर्किट्समध्ये एम्बेड करण्याची चांगली क्षमता असणे आवश्यक आहे जेणेकरून ते मेंदूशी प्रभावीपणे संवाद साधू शकतील. आमच्या त्वचेची नक्कल करण्यासाठी, डिव्हाइसमध्ये अधिक एकत्रीकरण आणि कार्यक्षमता असणे आवश्यक आहे जे ते अधिक स्थिर आणि विश्वासार्ह बनवेल.

हे कृत्रिम मज्जातंतू तंत्रज्ञान प्रोस्थेटिक्ससाठी वरदान ठरू शकते आणि अंगविकारात संवेदना पुनर्संचयित करू शकते. अधिक 3D प्रिंटिंग तंत्रज्ञान उपलब्ध आणि अधिक प्रतिसाद देणारी रोबोटिक्स प्रणालींमुळे प्रोस्थेटिक उपकरणांमध्ये वर्षभरात बरीच सुधारणा झाली आहे. ही सुधारणा असूनही, आज उपलब्ध असलेली बहुतेक कृत्रिम उपकरणे अत्यंत खडबडीतपणे नियंत्रित करावी लागतात कारण मानवी मज्जासंस्थेच्या अफाट गुंतागुंतींचा समावेश न केल्यामुळे ते मेंदूला चांगला समाधानकारक इंटरफेस प्रदान करत नाहीत. यंत्र अभिप्राय देत नाही आणि त्यामुळे रुग्णाला खूप असमाधानी वाटते आणि ते लवकर किंवा नंतर टाकून देते. अशा कृत्रिम तंत्रिका तंत्रज्ञानाचा कृत्रिम तंत्रामध्ये यशस्वीपणे समावेश केल्यावर ते वापरकर्त्यांसाठी स्पर्श माहिती वितरीत करेल आणि रुग्णांना अधिक चांगला अनुभव प्रदान करण्यात मदत करेल. रिफ्लेक्स आणि टच सेन्सची शक्ती देऊन विविध ऍप्लिकेशन्ससाठी त्वचेसारखे सेन्सरी न्यूरल नेटवर्क बनवण्याच्या दिशेने हे उपकरण एक मोठे पाऊल आहे.

***

{उद्धृत स्रोतांच्या सूचीमध्ये खाली दिलेल्या DOI लिंकवर क्लिक करून तुम्ही मूळ शोधनिबंध वाचू शकता}

स्त्रोत

येओन्गिन के आणि इतर. 2018. जैवप्रेरित लवचिक सेंद्रिय कृत्रिम अभिवाही मज्जातंतू. विज्ञान. https://doi.org/10.1126/science.aao0098