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【论文故事】让脑细胞感受,来自人造皮肤的触觉

感受衣料的质地,控制握手的力度,抚摸爱人的脸庞,迎接宠物的问好……触觉贯穿了我们生活的方方面面。然而,这些我们习以为常的触碰,在肢残者们身上却成了无奈的缺憾——他们并不能通过冰冷的义肢体验到触觉。

所幸,这种无奈也许不久就会被改写。在今天的《科学》杂志上,斯坦福大学华裔科学家鲍哲楠的研究组发表了一项新突破:他们借助光遗传学,成功地让人造皮肤将触觉“传递”给了小鼠的大脑切片。

“这是史上第一次有柔软、肤质的感压材料能给神经系统传递信号。”鲍哲楠教授说。这项成果让我们离“有感觉”的人造皮肤又近了一步。

这项工作由华裔科学家鲍哲楠带领的17人研究小组负责完成。图片来源:Bao Research Group, Stanford University

没有生命的电子元件,是怎么和神经系统“交流”起来的?

模仿机械感受器的工作

我们的触觉依靠皮肤上成千上万个机械感受器产生。这些神经元在受到压力等机械刺激时会激发动作电位——“脑啊,我碰到东西了!我碰到东西了!我碰到东西了!”——这样的信号最终会传到我们大脑的体感皮层。

皮肤上的机械感受器通过发送不同频率的动作电位来向大脑传达压力信息。感受器收到的压力越大,在单位时间内发出的电脉冲就越多。图片来源:Bao Research Group, Stanford University

由于这样的“喊话”并没有幅度上的差别,感受器只能通过增大或者减小发送信号的频率来表示它们所受压力的大小。你在轻轻扫描指纹时,手指上的感受器每秒发出的信号比较少,但如果你正在将图钉摁进墙壁,它们在一秒内表达的“我碰到东西了”就能多达几百句。

而鲍哲楠团队的工作,正在于巧妙地模仿了这一过程。

用“人造皮肤”复现压力感受

研究者制造了名为“DiTact”的人造机械感受器。这个感受器由两层元件构成:一层是基于导电碳纳米管制作的压力感受材料,它既轻薄又有延展性,能将压力转化为电信号;另一层是印在软质塑料上的集成电路,它能将电压信号转换成0至200赫兹不等的电脉冲,两者配合起来,便能模拟真实皮肤对压力的感受能力。

可延展塑料皮肤和里面的人造机械感受器。图片来源:Bao Research Group, Stanford University

说起来虽然轻巧,但文章的共同第一作者、博士生亚历克斯·科托斯(Alex Chortos)告诉科学人:“这项研究中耗时最久的工作,就是让感受器和电路层有效地共同运转。我们需要不停地对它们的电学特性进行调整优化,而这些电子设备对此非常敏感。”

不过,研究者最终还是完成了这项核心工作。但接下来,他们还要设法将这些人造皮肤发出的“我碰到东西了!”传递到体感皮层。

怎么做?研究者选择将电脉冲转化为光脉冲,再把光信号传到小鼠的脑神经元里。

DiTact人造皮肤的结构示意图。整合好的DiTact人造皮肤能够将感知到的压力转换为特定频率的光脉冲,从而向神经系统输出信息。图片来源:参考文献[1]

慢着,光脉冲?

神经元能接受光信号吗?普通的神经元并不能,但经过光遗传学改造后的神经元就可以了。研究中用到的实验小鼠,神经元上带上了感光的离子通道,当接受到特定波长的光后便会触发动作电位,也形成“碰到东西了”的反馈。

研究者将他们的人造皮肤连接到小鼠初级体感皮层的切片上,结果成功地检测到体感皮层对光信号的呼应。鲍哲楠指出,在这项研究中使用光信号来传递信息只是作为一种验证,目前她的团队正和其他研究小组合作,试图直接用电脉冲信号刺激神经元。

“这项工作的独特之处在于,我们制出的压力感受器能产生与神经元工作方式兼容的信号,这让今后在义肢内整合该器件的工作更加容易,”亚历克斯告诉科学人。再下一步,自然就是在活体动物中测试这套系统了,而其中,“和在整合电学元件与活体动物神经系统方面有经验的研究者展开合作,将是最关键的一步。”亚历克斯说,“我们也会对现有压力感受器的外形和机械耐久性做进一步改善。”

无疑,这样的系统要从实验室走向实际应用,道路还非常漫长,但研究者相信,那可贵的触觉,终将通过柔软的“人造皮肤”,在假肢上复现出来。

贴上人造皮肤的机械手与人类的手相握。图片来源:Bao Research Group, Stanford University

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Benjamin C.-K. Tee1, et al. A skin-inspired organic digital mechanoreceptor. Science 16 October 2015: Vol. 350 no. 6258 pp. 313-316 DOI: 10.1126/science.aaa9306

文章题图:Bao Research Group, Stanford University

The End

发布于2015-10-16, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳 。

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