Американські інженери створили електричну шкіру, яка, при зміні тиску може посилати сигнал про отримання больових відчуттів в ліктьові і серединні нерви, а потім - в соматосенсорну кору головного мозку. За допомогою такої шкіри дослідникам вдалося відтворити больовий рефлекс у протезі кінцівки. Стаття опублікована в.
Ноцицептори (рецептори болю) являють собою вільні нервові закінчення, які розташовуються, в основному, в зовнішньому шарі шкіри. При стимуляції (ноцицептори реагують на механічні, хімічні та теплові стимули) вони посилають сигнал спочатку в спинний мозок, а через нього - в головний, через три типи нервових волокон: A. A. І C-волокна. Aлід-волокна відповідають за сприйняття «швидкого» болю, дозволяючи організму скоріше від нього позбутися: наприклад, прибрати руку від гарячої плити. Механорецептори таких волокон посилають у мозок електричний сигнал, реагуючи на механічний тактильний вплив; сила такого сигналу може бути різною: механорецептори, тому, допомагають відрізняти болючу механічну стимуляцію (укол голкою) від безболісної (укол закінченням кулькової ручки).
При створенні чутливих протезів інженери насамперед намагаються відтворити зобов'язання, домагаючись досить вражаючих результатів. Найрідше дослідники вивчають те, як відтворити в протезі відчуття болю. Однак, незважаючи на те, що це не найбільш бажане відчуття, його відтворення дуже важливо: відчуття різниці між болісним і безболісним стимулом може захистити конструкцію протеза від пошкоджень.
Створенням протеза зі штучними ноцицепторами зайнялася група інженерів під керівництвом Люка Осборна (Luke Osborn) з Медичної школи Університету Джонса Хопкінса. У створенні протеза їм допоміг 29-річний чоловік з ампутованими обома руками: за допомогою шкірної електроміостимуляції периферійних нервів (ліктьового і серединного) в решті кінцівки дослідники розмітили (за повідомленнями самого учасника) різні ділянки його фантомної руки. Чоловік описував всі відчуття як покалювання в тих місцях, де колись були його пальці. Відчуття від покалювання залежали від довжини і частоти імпульсу: найболючішою виявилася стимуляція з частотою від 10 до 20 герц. Активність соматосенсорної кори головного мозку (контрлатерально стимульованої кінцівки) реєстрували за допомогою електроенцефалограми, що підтверджувало успішну стимуляцію нервів.
Інформацію про порогові характеристики стимуляції при відчутті болю використовували як зворотну сенсорну відповідь для створення електричної шкіри (e-dermis), що складається з декількох шарів гуми, тканини, провідників і п'єзорезистивного матеріалу, опір якого змінюється при тиску. Така конструкція відтворює нервові волокна справжньої шкіри людини.
Штучну шкіру помістили на вказівний і великий пальці біоміолектричної штучної пензля. При механічному впливі на п'єзорезистивну частину дерми (сенсор) до ліктьових і серединних нервових закінчень посилається сигнал, сила якого безпосередньо залежить від наданого тиску. При досягненні тиску в приблизно 250 кілопаскалів починають стимулюватися ноцицепторні нервові закінчення, після чого сигнал про появу болю посилається в соматосенсорну кору, що призводить до швидкого болю і подальшого больового рефлексу.
Роботу такої системи вирішили перевірити за допомоги трьох типів фігурок з подвійним закінченням різної гостроти: залежно від гостроти сенсор на штучній шкірі сильніше деформується, що призводить до підвищення тиску на нього.
При стисненні фігурки з гострими кінцями чоловік з протезом відчував біль і розтискав руку за рахунок виниклого больового рефлексу. Такого не відбувалося при стисненні фігурок з більш округлими наконечниками, з чого вчені зробили висновок, що електрична шкіра допомагає розпізнавати хворобливий і безболісний механічний вплив.
Слід зазначити, що така шкіра поки що реагує тільки на один тип больового стимулу - зовнішнього механічного - і розпізнавати біль від теплових або хімічних стимулів поки що не вміє. Кілька років тому вченим все ж вдалося створити досить примітивну систему ноцицепторної стимуляції температурою в протезі руки: у ній при впливі занадто високої температури рука сповіщає власника про біль за допомогою удару струму.