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Système nerveux sensoriel artificiel : une aubaine pour les prothèses

INGÉNIERIE ET ​​TECHNOLOGIESystème nerveux sensoriel artificiel : une aubaine pour les prothèses

Les chercheurs ont développé un système nerveux sensoriel artificiel qui peut traiter des informations similaires à celles du corps humain et qui pourrait effectivement donner un sens du toucher aux membres prothétiques

Notre peau, le plus grand organe du corps, est également le plus important car elle couvre tout notre corps, contrôle notre température corporelle et nous protège des facteurs externes nocifs comme le soleil, les températures anormales, les germes, etc. Notre peau peut s'étirer remarquablement et se réparer. La peau est également importante car elle nous procure un sens du toucher grâce auquel nous pouvons prendre des décisions. La peau est pour nous un système complexe de détection et de signalisation.

Dans une étude publiée dans Les sciences, des chercheurs dirigés par le professeur Zhenan Bao de l'Université de Stanford et de l'Université nationale de Séoul ont développé un artificiel système nerveux sensoriel qui pourrait être un grand pas vers la création de « peau artificielle » pour prothèses membres qui pourraient restaurer la sensation et agir comme une couverture cutanée normale. L'aspect difficile de cette étude était de savoir comment imiter efficacement notre peau qui possède plusieurs propriétés uniques. La caractéristique la plus difficile à imiter est la manière dont notre peau agit comme une puce sensoriel réseau qui transmet d'abord les sensations au cerveau et commande aussi à nos muscles de réagir par réflexe pour prendre des décisions rapides. Par exemple, un tapotement provoque l'étirement des muscles du coude, et les capteurs de ces muscles envoient une impulsion au cerveau via un neurone. Le neurone envoie alors une série de signaux aux synapses pertinentes. Le réseau synaptique de notre corps reconnaît le schéma d'étirement soudain des muscles et envoie deux signaux simultanément. Un signal provoque la contraction des muscles du coude par réflexe et le second signal va au cerveau pour informer de cette sensation. Toute cette séquence d'événements se produit en presque une fraction de seconde. Imiter ces systèmes nerveux sensoriels biologiques complexes, y compris tous les éléments fonctionnels du réseau de neurones, reste toujours un défi.

Système nerveux sensoriel unique qui « imite » le réel

Les chercheurs ont créé un système sensoriel unique qui pourrait reproduire le fonctionnement du système nerveux humain. Le « circuit nerveux artificiel » conçu par les chercheurs intègre trois composants dans une feuille plate et souple de quelques centimètres. Ces composants ont été décrits individuellement précédemment. Le premier composant est une touche capteur qui peut détecter des forces et des pressions (même mini). Ce capteur (fait de polymères organiques, de nanotubes de carbone et d'électrodes en or) envoie des signaux à travers un deuxième composant, un neurone électronique flexible. Ces deux composants sont des versions améliorées et améliorées de ce qui a été développé par les mêmes chercheurs auparavant. Les signaux sensoriels générés et transmis à travers ces deux composants sont transmis à un troisième composant, un transistor synaptique artificiel qui est modélisé exactement comme les synapses humaines dans le cerveau. Ces trois composants doivent fonctionner de manière cohérente et la démonstration de la fonction finale était l'aspect le plus difficile. De véritables synapses biologiques relaient les signaux et stockent les informations nécessaires à la prise de décisions. Ce transistor synaptique « exécute » ces fonctions en délivrant des signaux électroniques au transistor synaptique en utilisant le circuit nerveux artificiel. Par conséquent, ce système artificiel apprend à reconnaître et à réagir aux entrées sensorielles en fonction de l'intensité et de la fréquence des signaux de faible puissance, exactement comme le ferait une synapse biologique dans un corps vivant. La nouveauté de cette étude est de savoir comment ces trois composants individuels connus auparavant ont été intégrés avec succès pour la première fois pour fournir un système cohérent.

Les chercheurs ont testé la capacité de ce système à générer des réflexes et à ressentir le toucher. Dans une expérience, ils ont attaché leur nerf artificiel à une patte de cafard et ont appliqué une petite pression sur leur capteur tactile. Le neurone électronique a converti le signal du capteur en signaux numériques et les a transmis à travers le transistor synaptique. Cela a provoqué une contraction de la jambe du cafard en fonction de l'augmentation ou de la diminution de la pression dans le capteur tactile. Ainsi, cette configuration artificielle a certainement activé le réflexe de contraction. Dans une deuxième expérience, les chercheurs ont montré la capacité du nerf artificiel à détecter différentes sensations tactiles en étant capable de différencier les lettres braille. Dans un autre test, ils ont fait rouler un cylindre sur le capteur dans différentes directions et ont pu détecter avec précision la direction exacte du mouvement. Ainsi, cet appareil est capable d'améliorer la reconnaissance d'objets et le traitement d'informations tactiles fines comme la reconnaissance de texture, la lecture en braille et la distinction des bords des objets.

L'avenir du système nerveux sensoriel artificiel

Cette technologie de nerf artificiel est à un stade très précoce et n'a pas atteint le niveau de complexité requis mais a donné un immense espoir pour la création de revêtements de peau artificiels. Il est clair que de telles « couvertures » nécessiteraient également des dispositifs pour détecter la chaleur, les vibrations, la pression et d'autres forces et sensations. Ils doivent avoir une bonne capacité à s'intégrer dans des circuits flexibles afin de pouvoir s'interfacer efficacement avec le cerveau. Pour imiter notre peau, l'appareil doit avoir plus d'intégration et de fonctionnalités, ce qui le rendra plus stable et fiable.

Cette technologie de nerf artificiel pourrait être une aubaine pour les prothèses et redonner des sensations aux amputés. Les prothèses se sont beaucoup améliorées au cours de l'année avec plus de technologies d'impression 3D disponibles et des systèmes robotiques plus réactifs. Malgré ces améliorations, la plupart des prothèses disponibles aujourd'hui doivent être contrôlées de manière très approximative car elles ne fournissent pas une interface satisfaisante avec le cerveau en raison du manque d'incorporation des subtilités du vaste système nerveux humain. L'appareil ne donne pas de retour et le patient se sent donc très insatisfait et les jette tôt ou tard. Une telle technologie de nerf artificiel, lorsqu'elle est intégrée avec succès dans les prothèses, fournira des informations tactiles aux utilisateurs et contribuera à offrir aux patients une meilleure expérience. Cet appareil est un grand pas vers la création de réseaux de neurones sensoriels ressemblant à la peau pour diverses applications en accordant des pouvoirs de réflexe et de sens du toucher.

***

{Vous pouvez lire le document de recherche original en cliquant sur le lien DOI ci-dessous dans la liste des sources citées}

Sources)

Yeongin K et al. 2018. Un nerf afférent artificiel organique flexible bioinspiré. Les scienceshttps://doi.org/10.1126/science.aao0098

Équipe SCIEU
Équipe SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
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