Осязательные ощущения: Осязание — это… Что такое Осязание?

Так был открыт механизм работы нейронов, чувствительных к контакту с горячими предметами. Попутно выяснилось, что «жгучий вкус» — не метафора, а нейробиологическая истина: на капсаицин наша нервная система реагирует так же, как на обжигающее прикосновение.

Позже выяснилось, что TRPV1 отвечает также за мучительное жжение, которое может возникать при воспалениях и других нарушениях в работе нервов или внутренних органов. Поэтому его исследования могут стать ключом к облегчению страданий многих людей.

В дальнейших исследованиях Дэвид Джулиус и (независимо от него) Ардем Патапутян обнаружили ионный канал TRPM8. Он был открыт благодаря еще одному веществу, вызывающему «температурные» ощущения — приятно холодящему ментолу. Канал TRPM8 активируется при переохлаждении клетки, и нейрон посылает нам сигнал, что лучше бы надеть перчатки или есть мороженое помедленнее.

Позже были открыты и другие ионные каналы, реагирующие на изменение температуры.

Прикосновение к истине

Работая в исследовательском центре Scripps Research, Патапутян занимался и другим важным вопросом: что позволяет нам чувствовать прикосновение и давление на кожу? Вместе со своими сотрудниками биолог впервые вывел генетическую линию клеток, которые генерировали электрический сигнал, когда их мембрану протыкали микропипеткой. Ученый предполагал, что существует ионный канал, который активируется этим механическим сигналом. В поисках гена, кодирующего этот белок-канал, он проверил 72 кандидата. Экспериментаторы отключали эти гены один за другим, следя, когда клетка перестанет реагировать на укол. Затратив немало усилий, Патапутян и его коллеги идентифицировали ген Piezo1. Оказалось, что он кодирует ранее совершенно неизвестный ионный канал, который активируется давлением. Вскоре исследователи обратили внимание на ген Piezo2, очень похожий на ген Piezo1.

Это открытие вызвало к жизни целую волну научных работ. Группа Патапутяна и другие исследователи выяснили, что ионный канал Piezo2 необходим для осязания, а также для восприятия положения и движения тела. 

Затем ученые выяснили, что гены Piezo1 и Piezo2 регулируют и другие важные процессы — дыхание, артериальное давление и деятельность мочевого пузыря.

Биологи продолжают тщательно исследовать роль белков TRPV1, TRPM8, Piezo1 и Piezo2 в работе нервной системы. Есть надежда, что эти знания пригодятся в лечении многих заболеваний.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора

Реклама на Forbes

Растения Сада пяти чувств

По идее Мишеля Пена — французского архитектора, автора концепции Ландшафтного парка ВДНХ, Сад пяти чувств — это непрерывный пешеходный маршрут, проложенный в виде ленты Мебиуса. Каждый участок сада символизирует и задействует одно из пяти человеческих чувств: зрение, слух, обоняние, осязание, вкус.

Сад осязания — это сосновый бор, где прикасаясь к иголкам и коре сосны, посетители получают тактильные ощущения.

Сад звуков — место, где соседствуют липы, березы и осины колоновидной формы. Дрожание их листвы наполняет сад звуками, даря приятные ощущения нашему слуху. Массив из злаков создает звучание на нижнем ярусе сада.

В Саду запахов посетителей обволакивают ароматы множества растений. Нарциссы и мускари радуют гостей ранней весной. Спирея серая, роза ругоза и птелея трехлистная благоухают с конца весны до осени. После листопада цветет гамамелис виргинский. Дополняют картину пахнущие имбирным пряником листья багряника японского и плоды птелеи трехлистной, чей аромат можно ощутить при растирании в ладонях.

Сад вкусов — это сад, в котором растут плодовые кустарники: арония, голубика, крыжовник, черная и красная смородины. Здесь также произрастают шалфей, полынь и другие пряные травы, которые пробуждают нашу вкусовую память и вызывают знакомые кулинарные ассоциации.

Сад зрительных ощущений представляет собой яркий цветник, радующий глаз. В самое теплое время года эта композиция из многолетников имеет максимальную цветовую насыщенность. Ранней весной здесь цветут луковичные растения, а в зимний период особый эффект создают «фонтаны» злаковых растений.

French architect Michael Pena, who created the VDNH Landscape park concept, proposes to consider the Five Senses Garden as a seamless walking route represented in the form of a Mobius strip. Each garden section symbolises and affects one of the five human senses: sight, hearing, smell, touch and taste.

The Garden of Touch is a pine forest where visitors experience tactile sensations by touching needles and pine bark.

The Garden of Sound is a place where lindens, birches and columnar aspens coexist. Their trembling foliage fills the garden with sounds, giving our ears a pleasant sensation. An array of gramineous plants produce sounds on the lower garden level.

Visitors are surrounded by aromas from numerous plants in the Garden of Smell. Narcissus and Muscari bring joy to guests in early spring. Spiraea cinerea, rosa rugosa and ptelea trifoliata spread a sweet aroma from late spring to autumn. Hamamelis virginiana blooms after leaves fall. The range of aromas is complemented by cercidiphyllum japonicum leaves which smell like gingerbread, and ptelea trifoliata fruits which can be smelled when rubbed in-between the palms.

The Garden of Taste is a garden where fruit bushes grow: aronia, vaccinium uliginosum, grossularia, ribes nigrum and ribes rubrum. It also contains salvia, Artemisia and other spicy herbs that refresh our taste memory and evoke familiar culinary associations.

The Garden of Sight is a colourful flower garden that is pleasing the eye. This perennial composition shows the most diverse colour palette during the warmest season. Bulbous plants bloom here in spring and during winter months bunches of gramineous plants create a special effect.

根据法国建筑师，国经成就展景观公园概念的作者米歇尔·佩恩的创意，五感花园是一条以莫比乌斯环形式布局的连续步行路线。花园的每个部分都象征着五种人类感官中的一种：视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉。

触觉之园是一片松树林，通过触摸针叶和松树皮，游客可以获得触感。

听觉之园是柱状的椴树、桦树和白杨树枝叶相接的地方。花园里充满树叶婆娑的声音，为我们的耳朵带来愉悦感受。多种谷物在花园的下层创造出另一种音乐。

在嗅觉之园，游客被众多植物的香气所包围。水仙和葡萄风信子在早春为客人带来欢乐。灰绣线菊、玫瑰和榆橘从春末到秋天散发甜美香氛。落叶后的北美金缕梅开花。连香树叶子的姜饼香，和在掌中摩擦榆橘果实散发的香气更加沁人心脾。

味觉之园是一个种植浆果灌木的花园：山楸梅、蓝莓、醋栗、黑加仑和红加仑。这里还有鼠尾草、艾草和其他香草，唤醒我们的味觉记忆，激发熟悉的美食幻想。

视觉之园是一个令人赏心悦目的明亮花园。在最温暖的季节，这种多年生植物呈现出极致的浓郁色彩。早春时节，球茎植物在这里开花；冬季，谷类植物齐发，营造出独特的效果。

Ученые создали искусственную кожу, которая может регенерировать

Сингапурские исследователи изобрели новый пеноматериал AiFoam, который имитирует кожу для роботизированного протеза, сообщает Reuters. Основные особенности этого материала — это возможность регенерации и способность передавать тактильные ощущения.

По словам ученых из Национального университета Сингапура, пена создана путем смешения фторполимера с соединением, которое снижает поверхностное натяжение. Это позволяет искусственной коже буквально «заживлять» повреждения — пена сама заполняет порезы и другие пустоты.

Чтобы воспроизвести чувство осязания, исследователи наполнили материал микроскопическими металлическими частицами и добавили в него электроды. При давлении на кожу металлические частицы сближаются, меняя электрические поля. Эти перемены фиксируются электродами, которые передают результаты на микрокомпьютер.

«Когда я подношу палец к датчику, вы можете видеть, что он измеряет показатели электрического поля и реагирует на мое прикосновение. Существует много применений для такого материала, особенно в протезных устройствах и робототехнике, где техника должна взаимодействовать с людьми», — объяснил ведущий исследователь Бенджамин Ти.

Ти также указал на то, что их разработка может значительно упростить жизнь людей с протезами — им будет легче управлять рукой при взаимодействии с другими предметами.

По его словам, AiFoam является первым в своем роде материалом, который сочетает в себе как свойства самовосстановления, так и возможность тактильного ощущения.

На сегодняшний день ученые из разных уголков мира исследуют возможности самовосстанавливающихся материалов, в том числе для протезов, рассказала «Газете.Ru» основатель healthtech-компании AIBY Оля Осокина.

«Самый интересный из них – проект, вдохновленный зубами кальмаров. Биосинтетический полимер можно использовать для ремонта частей предметов, которые изнашиваются из-за постоянного движения, например для деталей роботов, протезов, вентиляторов и даже защитных костюмов… Другой пример – проект из Японии, применяющий металлические сплавы. Его принцип основан на том, что сплав становится жидким всего при 50 градусах, что помогает восстанавливать имитатор ахиллова сухожилия. При этом преимущество AiFoam заключается не только в самовосстановлении, но и при выборе повреждений для восстановления», — отметила Осокина.

Ссылаясь на слова исследователей, эксперт пояснила, что AiFoam можно растянуть более чем в два раза, а поверхностно-активный агент позволяет ему регенерировать даже после пореза. По ее словам, ученые проверили способность пены к самовосстановлению посредством нагревания ее в течение четырех дней, после чего материал зажил примерно на 70% и все еще мог растягиваться почти вдвое от своей первоначальной длины.

По словам руководителя департамента по развитию медицины BestDoctor Юлии Ткаченко, самые современные бионические протезы уже оснащены функцией распознавания давления и прикосновения, однако эти функции далеки от привычного нам осязания.

Однако есть большая проблема в передаче импульса с протеза в нервную систему человека — даже при длительном ношении бионических протезов многие люди так и не приобретают тактильную чувствительность, это связано с затруднением адаптации головного мозга к новым стимулам.

«Свойство самостоятельного восстановления материала делает протез более прочным к повреждениям, которые свойственны при адаптации пациента. Новая технология позволит улучшить качество создаваемых бионических протезов, однако фундаментальные проблемы протезирования она по-прежнему не решает», — считает эксперт.

Стимуляция спинного мозга вернула безруким пациентам ощущение прикосновения

Как выяснили учёные, для того чтобы вернуть осязание носителям протезов, можно использовать стандартную медицинскую процедуру. Речь идёт о стимуляции спинного мозга, которая обычно используется для лечения хронических болей. Такой вывод сделан в научной статье, опубликованной в журнале eLife.

Здоровый человек может взять в руки куриное яйцо, не раздавив его, и поднести ко рту чашку кофе, даже не взглянув на неё. Эти и другие повседневные действия кажутся очень простыми, но на деле требуют виртуозного управления собственными движениями. И важную роль в нём играет осязание. Протезы плохо заменяют живые руки в том числе и потому, что они не позволяют человеку чувствовать, к чему он прикасается.

Многие научные группы по всему миру работают над тем, чтобы вернуть пациентам с ампутированными руками способность знакомиться и общаться с миром на ощупь. Но пока специалистам по силам создать лишь несовершенное подобие осязания. И даже такой результат обычно достигается путём сложной нейрохирургической операции, которую может провести не всякий специалист.

Теперь же учёные выяснили, что ощущения, возникающие при прикосновении, можно восстановить при помощи стандартной медицинской процедуры.

«Уникальность этой работы в том, что мы используем устройства, которые уже вживляются 50 тысячам человек в год для лечения боли – врачи во всех крупных медицинских центрах страны знают, как выполнять эти хирургические процедуры, – и получаем такие же результаты, как и при применении узкоспециализированных устройств и процедур», – рассказывает соавтор исследования Ли Фишер (Lee Fisher) из Питтсбургского университета.

Ли Фишер и пациентка, участвовавшая в исследовании.

В новом исследовании приняли участие четыре добровольца, некогда переживших ампутацию руки. Им в позвоночник вживлялся имплантат, который обычно используется для эпидуральной стимуляции спинного мозга. Это широко распространённое средство лечения хронической боли. Устройство генерирует электрические импульсы, которые тормозят передачу болевых сигналов в головной мозг.

Однако на этот раз исследователи чуть-чуть изменили место внедрения имплантата. В результате его работа провоцировала у пациентов осязательные ощущения в отсутствующей руке.

Исследователи посылали электрические импульсы через разные точки вживлённых электродов, а испытуемые сообщали о своих ощущениях.

Все четыре участника отмечали, что у них появилось чувство прикосновения и давления, хотя оно часто сопровождалось нехарактерным для нормальной работы осязания покалыванием или зудом.

Учёные отмечают, что в течение всех 29 дней эксперимента имплантаты не смещались в позвоночнике испытуемых. Это очень важно, поскольку смещённое устройство может начать стимулировать «незапланированные» нервы с незапланированным же результатом.

Авторы предлагают в будущем использовать следующую схему. Протез, наделённый датчиками давления, посылает сигнал на имплантат. Тот стимулирует спинной мозг, и человек испытывает чувство прикосновения к предмету, которого он касается протезом.

Конечно, учёным предстоит преодолеть немало трудностей, прежде чем такая система станет реальностью. Например, человек должен почувствовать, коснулся ли он предмета всей ладонью или, скажем, кончиком указательного пальца. В связи с этим особенно интересно, что три из четырёх добровольцев говорили об осязательных ощущениях в конкретном пальце или небольшом участке ладони отсутствующей руки.

Исследователи подчёркивают, что их работа демонстрирует только принцип действия будущих протезов. До коммерческого продукта ещё очень далеко. Но теперь по крайней мере есть надежда, что каждый человек с протезом руки однажды сможет ощутить рукопожатие.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали об электронной коже, быстро и точно имитирующей осязание. Писали мы и о том, как электронные протезы «научились» чувствовать боль.

Самый быстрый словарь в мире: Vocabulary.com

12.3B: Тактильные ощущения — Medicine LibreTexts

Прикосновение воспринимается механорецептивными нейронами, которые по-разному реагируют на давление.

Цели обучения

• Описать, как прикосновение воспринимается механорецептивными нейронами, реагирующими на давление

Ключевые моменты

• Наше осязание или тактильные ощущения обеспечивается кожными механорецепторами, расположенными в нашей коже.
• Существует четыре основных типа кожных механорецепторов: тельца Пачини, тельца Мейснера, диски Меркеля и окончания Руффини.
• Кожные механорецепторы классифицируются по морфологии, по типу ощущений, которые они воспринимают, и по скорости адаптации. Более того, у каждого есть свое рецептивное поле.

Ключевые термины

• рецептивное поле : Конкретная область сенсорного пространства (например, поверхность тела, пространство внутри уха), в которой стимул запускает возбуждение этого нейрона.
• адаптация : изменение во времени реакции сенсорной системы на постоянный раздражитель.
• Волокно Aβ : Тип сенсорного нервного волокна, передающего сигналы холода, давления и некоторых болевых сигналов.
• Волокно Aδ : переносит сенсорную информацию, связанную с вторичными окончаниями мышечного веретена, прикосновением и кинестезией.

Механорецептор — это сенсорный рецептор, который реагирует на механическое давление или искажение. Например, в периодонтальной связке есть механорецепторы, которые позволяют челюсти расслабиться при надавливании на твердые предметы; Мезэнцефалическое ядро ​​отвечает за этот рефлекс.

Голая (безволосая) кожа подразделяется на четыре основных типа:

1. Окончания Руффини.
2. Тельца Мейснера.
3. Пачинские тельца.
4. Диски Меркель.

В волосистой коже также есть механорецепторы. Волосковые клетки в улитке являются наиболее чувствительными механорецепторами, преобразующими волны давления воздуха в нервные сигналы, посылаемые в мозг.

Кожные механорецепторы

Кожные механорецепторы расположены в коже, как и другие кожные рецепторы.Они обеспечивают осязание, давление, вибрацию, проприоцепцию и другие. Все они иннервируются волокнами Aβ, за исключением механопринимающих свободных нервных окончаний, которые иннервируются волокнами Aδ.

Их можно разделить на категории по морфологии, по типу ощущений, которые они воспринимают, и по скорости адаптации. Более того, у каждого свое восприимчивое поле:

• Концевые органы Руффини обнаруживают напряжение глубоко в коже.
• Тельца Мейснера обнаруживают изменения текстуры (колебания около 50 Гц) и быстро адаптируются.
• Пачинианские тельца обнаруживают быстрые колебания (около 200–300 Гц).
• Диски Меркель обнаруживают длительное прикосновение и давление.
• Механорецепторы, принимающие свободные нервные окончания, обнаруживают прикосновение, давление и растяжение.
• Рецепторы волосяных фолликулов расположены в волосяных фолликулах и определяют изменение положения прядей волос.

Окончание Руффини

Окончание Руффини (тельце Руффини или луковичное тельце) представляет собой класс медленно адаптирующихся механорецепторов, которые, как считается, существуют только в голой дерме и подкожной клетчатке человека.Он назван в честь Анджело Руффини.

Этот веретенообразный рецептор чувствителен к растяжению кожи и способствует кинестетическому ощущению и контролю положения и движения пальцев. Считается, что он полезен для отслеживания скольжения предметов по поверхности кожи, позволяя модулировать захват объекта.

Окончания Руффини расположены в глубоких слоях кожи. Они регистрируют механическую информацию в суставах, в частности изменение угла, с точностью до двух градусов, а также состояния постоянного давления.Они также действуют как терморецепторы, которые долго реагируют, например, держатся за руки во время прогулки. В случае глубокого ожога тела боли не будет, так как эти рецепторы сгорят.

Тельца Мейснера

Тельца Мейснера (или тактильные тельца) отвечают за чувствительность к легкому прикосновению. В частности, они имеют самую высокую чувствительность (самый низкий порог) при обнаружении вибрации ниже 50 герц. Это быстро адаптивные рецепторы.

Тельца Пачини

Пачинианские тельца (или пластинчатые тельца) отвечают за чувствительность к вибрации и давлению. Роль вибрации может использоваться для обнаружения текстуры поверхности, например шероховатой или гладкой.

Нерв Меркель

Нервные окончания Меркеля — это механорецепторы, обнаруженные в коже и слизистой оболочке позвоночных животных, которые передают в мозг информацию касания. Информация, которую они предоставляют, касается давления и текстуры. Каждое окончание состоит из клетки Меркеля, близко соприкасающейся с увеличенным нервным окончанием.

Иногда его называют комплексом клетка Меркеля-нейрит или дисковым рецептором Меркеля. Одно ответвление афферентного нервного волокна иннервирует до 90 таких окончаний. Они относятся к медленно адаптирующимся механорецепторам типа I.

Презентация различных тактильных ощущений с использованием электротактильного дисплея с микроиглами

Abstract

Тактильные дисплеи вызывают тактильные ощущения, искусственно стимулируя тактильные рецепторы.Несмотря на то, что было разработано множество типов тактильных дисплеев, электротактильные дисплеи, использующие электрическую стимуляцию, могут быть тонкими, легкими, гибкими и, следовательно, удобными для ношения. Однако высокое напряжение, необходимое для стимуляции тактильных рецепторов, и ограниченное разнообразие возможных ощущений создают проблемы. В нашей предыдущей работе мы разработали электротактильный дисплей с использованием набора микроигольчатых электродов, который может резко снизить необходимое напряжение за счет безболезненного проникновения через высокоимпедансный роговой слой, но отображение различных тактильных ощущений все еще было проблемой.В этой работе мы демонстрируем предъявление испытуемым тактильных ощущений различной шероховатости, что обеспечивается расположением электродов; игольчатые электроды находятся на кончике пальца, а заземляющий электрод — на ногте. Благодаря такому расположению дисплей может стимулировать тактильные рецепторы, которые расположены не только в неглубоких областях пальца, но и в глубоких областях. Экспериментально было обнаружено, что требуемое напряжение было дополнительно снижено по сравнению с предыдущими устройствами и что шероховатость, представленная на дисплее, контролировалась частотой импульсов и временем переключения или скоростью потока стимуляции.Предлагаемый электротактильный дисплей легко применим в качестве нового носимого тактильного устройства для передовых информационных коммуникационных технологий.

Образец цитирования: Тэдзука М., Китамура Н., Танака К., Мики Н. (2016) Презентация различных тактильных ощущений с использованием электротактильного дисплея с микроиглами. PLoS ONE 11 (2): e0148410. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148410

Редактор: Слиман Дж. Бенсмайя, Чикагский университет, США

Поступила: 27 июля 2015 г .; Одобрена: 16 января 2016 г .; Опубликовано: 4 февраля 2016 г.

Авторские права: © 2016 Tezuka et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе.

Финансирование: Эта работа была поддержана Preursory Research for Embryonic Science and Technology (PRESTO, Information Environment and Human), Японское агентство науки и технологий (http: // www.jst.go.jp/kisoken/presto/en/). НМ получил это финансирование. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Введение

Кожа человека имеет четыре типа тактильных рецепторов. Эти рецепторы, обладающие разными свойствами, расположены в разных местах кожи и отвечают за разные типы стимуляции [1–5].Тактильный дисплей — это интерфейс, который может вызывать у пользователя тактильные ощущения, стимулируя эти тактильные рецепторы электрически или механически деформируя кожу. Требуется, чтобы механотактильные дисплеи были способны деформировать кожу либо на несколько десятков микрометров при низкой частоте, либо на несколько микрометров или даже меньше при высокой частоте, в зависимости от рецепторов, которые необходимо стимулировать. Низкочастотная деформация кожи с большим смещением может быть достигнута с помощью штифтовых исполнительных механизмов с использованием соленоидов [6], в то время как ультразвуковые исполнительные механизмы [7–9] и электростатические исполнительные механизмы [10, 11] используются для деформации кожи небольшими смещениями при высокие частоты.Наша группа разработала ряд микроприводов, состоящих из механизмов гидравлического усиления и пьезоэлектрических приводов, которые могут стимулировать все тактильные рецепторы для создания различных тактильных ощущений, таких как шероховатость и твердость [12]. Для оценки тактильных ощущений, которые может вызывать разработанный механотактильный дисплей, мы недавно предложили метод сравнения образцов [13]. Однако высокое энергопотребление и громоздкость механотактильных дисплеев делают их непригодными для носимых устройств.

Электротактильные дисплеи стимулируют тактильные рецепторы, прикладывая напряжение к коже. Массивные плоские электроды активируются, чтобы представить пользователю тактильные ощущения [14–18]. Электроды могут быть нанесены на тонкую и гибкую подложку, что является огромным преимуществом перед громоздкими механотактильными дисплеями, особенно для носимых устройств. Однако у электротактильных дисплеев есть две основные проблемы; им требуется высокое напряжение в несколько десятков вольт для стимуляции тактильных рецепторов, и они могут вызывать лишь ограниченное разнообразие ощущений у пользователя, которые обычно ощущают электричество и жало.Высокое напряжение необходимо из-за высокого импеданса (100 кОм · м) рогового слоя, самого внешнего слоя эпидермиса [19]. В нашей предыдущей работе мы разработали электротактильный дисплей, который состоит из массива титановых микроигольчатых электродов [20]. Электроды были изготовлены с острыми кончиками для проникновения через роговой слой, но достаточно короткими, чтобы не доходить до болевых точек. Дисплей резко снизил необходимое напряжение, то есть пороговое напряжение, для создания тактильных ощущений по сравнению с устройствами с плоским электродом.Как показано на фиг. 1 (а), матрица микроигольчатых электродов имела семь электродов; электрод в центре функционировал как активный электрод, а шесть окружающих электродов — как заземляющие электроды. Хотя пороговое напряжение было успешно снижено, тактильные ощущения, вызываемые дисплеем, по-прежнему ограничивались электрическими ощущениями и ощущениями покалывания. Мы считали, что при таком расположении электродов стимулирующие токи проходят и стимулируют тактильные рецепторы только в неглубокой области кожи.Хорошо известно, что четыре типа тактильных рецепторов отвечают за различные типы стимулов и расположены внутри кожи таким образом, что могут иметь самую высокую чувствительность. Следовательно, для создания различных тактильных ощущений расположение электродов необходимо изменить так, чтобы можно было стимулировать все типы тактильных рецепторов.

Рис. 1. Концептуальные изображения электротактильных дисплеев.

(a) Электротактильный дисплей, состоящий из микроигольчатых электродов [20].Электрод истока расположен в центре электродной решетки, и стимулирующий ток проходит только через неглубокую область кожи пальца. (b) Недавно предложенное «двустороннее игольчатое устройство» с заземляющим электродом на ногте. Стимулирующий ток проходит через палец и стимулирует все тактильные рецепторы, распределенные в коже.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148410.g001

В этой статье мы предлагаем тактильный дисплей, состоящий из набора микроигольных электродов на кончике пальца и плоского электрода на ногте, как показано на Рис. 1 (б).Мы называем это новое устройство «Устройство с плоской иглой на двух сторонах». Игольчатые электроды ориентированы в направлении медиально-латерального направления пальца. Плоский электрод функционирует как заземляющий электрод, и стимулирующие токи могут течь от микроигольчатых электродов к плоскому электроду, то есть они могут проходить через пальцы, чтобы стимулировать не только тактильные рецепторы, расположенные в неглубоких областях, но также и в глубокие участки кожи. Таким образом, предлагаемый тактильный дисплей может отображать различные тактильные ощущения у испытуемых.Сначала опишем процесс изготовления устройства. Затем пороговые напряжения сравниваются с данными из предыдущей работы. Наконец, тактильные ощущения, которые могут быть представлены разработанным дисплеем, исследуются экспериментально, с особым акцентом на шероховатости. Управляющими параметрами дисплея являются частота импульсов и временные интервалы стимуляции между соседними электродами.

Проектирование и изготовление

2.1. Типовой проект дома

Электротактильный дисплей состоит из микроигл, которые проникают через роговой слой с высоким сопротивлением и электрически стимулируют тактильные рецепторы кожи.Длина микроигл была разработана таким образом, чтобы они проникали в часть рогового слоя, но не доходили до болевой точки. Толщина рогового слоя зависит от человека. Монтанья писал, что толщина эпидермиса кончиков пальцев, включая роговой слой, составляет примерно 600 мкм [21]. Хираяма опросил 50 японцев и обнаружил, что средняя толщина составляет 663 мкм (минимум: 600 мкм, максимум: 765 мкм) [22]. Учитывая, что нервы иннервируют область на 700 мкм ниже поверхности пальца [21], и что иглы не проникают полностью по его длине [23], мы решили, что микроиглы подходящей длины для проникновения в роговой слой и уменьшение импеданса составляет 600 мкм.

2.2. Изготовление

Сначала формируется массив титановых проволок. Для игл мы использовали титановую проволоку диаметром 0,3 мм (Nilaco Corp.) и полидиметилсилоксан (PDMS; SILPOT184, Dow Corning Toray) в качестве основы устройства. Оба материала биосовместимы. На рис. 2 (а) и 2 (б) показан процесс изготовления массива проводов. Мы механически обработали полиметилметакрилат (ПММА) и изготовили держатель для проволоки из двух частей. Верхняя часть имела толщину 0,5 мм и пять 0.Отверстия диаметром 31 мм в ряду, нижняя часть имела отступ 300 мкм. Начальная длина титановой проволоки контролировалась глубиной вдавливания. Две части PMMA были сложены и помещены в чашку Петри. Затем титановые проволоки сгибали и вставляли в отверстия держателя. Затем чашку Петри заполняли литейным раствором PDMS и обжигали на горячей плите при 65 ° C в течение 4 часов. Сформированную проволочную сетку окончательно вынули из чашки Петри и освободили от держателя.

Рис. 2. Процесс изготовления массива проводов.

a) Держатель проволоки из ПММА был изготовлен механическим способом. б) Титановые проволоки сгибали и помещали в отверстия держателя, а затем фиксировали с помощью PDMS. в) Форма иглы сформирована электрохимическим травлением. г) Фотография изготовленного устройства.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148410.g002

Для заточки плоских концов проволок использовали электрохимическое травление [24–26]. Рис. 2 (c) показывает схематическое изображение этого процесса.Электролит для травления проволоки состоит из 4 г хлорида натрия и 60 мл раствора этиленгликоля. В нашей предыдущей работе [27, 28] мы обнаружили, что подходящее расстояние между проводами (со стороны анода) и катодным выводом составляло 20 мм. Мы подготовили прокладку из ПММА толщиной 20 мм и закрепили проволочную решетку и катодный вывод с обоих концов. Сетку проводов и распорку помещали в стакан, заполненный раствором электролита. При приложенном напряжении 30 В в течение 22 с были получены иглы длиной 600 мкм и радиусом 20 мкм на кончике.

Экспериментальные методы

3.1. Экспериментальная установка

Протокол эксперимента был одобрен Советом по биоэтике факультета науки и технологий Университета Кейо. Субъекты получили подробное объяснение экспериментальных методов, а затем подписали форму информированного согласия перед участием в исследовании. Устройство меняли для каждого испытуемого, иглы дезинфицировали в автоклаве, а поверхность пальца каждого испытуемого дезинфицировали этанолом перед экспериментами.Сначала испытуемого попросили отметить центр указательного пальца. После того, как игла была совмещена с отмеченной точкой, субъект осторожно надавил пальцем на устройство, пока игла не проникла в кожу пальца. Затем заземляющий электрод фиксировали к ногтю с помощью ленты. Игла на матрице и противоплоский электрод были подключены к функциональному генератору. Фотография тактильного дисплея, прикрепленного к пальцу, и схематическое изображение экспериментальной системы показаны на рис. 3 (а) и 3 (б).Двадцать субъектов (16 мужчин и 4 женщины; 21–25 лет) участвовали в экспериментах по пороговому напряжению и диапазону напряжения (разделы 3.2 и 3.3). Испытуемые 1–5, 7, 8, 10, 11, 14 и 16 (8 мужчин и 3 женщины) также участвовали в эксперименте по тестированию восприятия (раздел 3.4).

3.2. Пороговое напряжение

Мы экспериментально получили необходимые напряжения для демонстрации тактильных ощущений испытуемым с помощью устройства Two-Side Needle-Flat. После того, как игольчатые электроды и плоский электрод были прикреплены к пальцу испытуемого, на игольчатые электроды подавали электрический стимул, состоящий из положительных прямоугольных волн (рабочий цикл: 50%) с частотами 10, 20, 50 и 100 Гц.Для устройства с плоским электродом и устройства с односторонней иглой была активна только центральная игла, а остальные функционировали как заземляющие электроды, но для устройства с плоской двусторонней иглой активна была центральная игла, а плоский электрод на ногте. функционировал как заземляющий электрод. Приложенное напряжение увеличивалось с 0 В до тех пор, пока субъект не почувствовал тактильное ощущение, которое было записано как пороговое напряжение В _th . Мы провели те же эксперименты с устройством с односторонней иглой и устройством с плоским электродом в качестве эталона.Эти устройства были изготовлены с использованием того же метода. Пороговые напряжения для трех различных устройств были измерены трижды для каждой частоты.

3.3. Диапазон напряжения

Пороговое напряжение В _th — это минимальное напряжение, при котором субъект может воспринимать тактильную стимуляцию. По мере увеличения приложенного напряжения тактильная стимуляция усиливается и в конечном итоге становится болезненной. Мы называем это напряжение В _боль .Напряжение, которое может быть приложено к объекту для отображения различных тактильных ощущений, ограничено диапазоном от В _th до В _боли . Предпочтительнее широкий диапазон или большая разница между V _th и V _pain ; однако диапазон обычно узкий, и из-за неоднородности импеданса кожи пальца V _боль может варьироваться [28].Это ограничивает тактильные ощущения, которые могут быть представлены с помощью электротактильных дисплеев. Диапазон напряжения, В _th до В _pain , был экспериментально исследован для устройств с двусторонней иглой-плоской и односторонней иглой. Активный и заземляющий электроды были такими же, как и в эксперименте с пороговым напряжением. Используя устройство Two-Side Needle-Flat, мы также измерили напряжение, при котором испытуемые могут легко идентифицировать тактильные ощущения без боли. V _th и V _pain для двух устройств были измерены трижды для каждой частоты.

3.4. Тест восприятия

Мы попытались создать различные тактильные ощущения, контролируя частоту и пиковое напряжение приложенных напряжений, а также скорость потока стимуляции, то есть временную задержку между последовательным включением электродов, как показано на рис. 4. Положительный квадрат Импульсы генерировались генератором импульсов, а микроконтроллер Arduino MEGA управлял фото-МОП-реле для переключения активного электрода в назначенное время переключения.Сигнальный поток повторялся в направлении от медиального к латеральному направлению пальца. Мы провели тест восприятия, изменив частоту импульсов (10, 20, 50 и 100 Гц) и время переключения (с 30 мс до 100 мс). Каждого испытуемого попросили оценить воспринимаемую шероховатость по шкале от 1 (гладкая) до 6 (грубая). Тест восприятия проводился для каждой частоты пульса. Сначала стимуляции с самым медленным и самым быстрым временем переключения были представлены как стимулы, представляющие максимум и минимум шкалы, соответственно.Затем испытуемым случайным образом предъявляли ощущение каждого момента переключения. Электростимуляция применялась к кончикам пальцев испытуемых, пока они не смогли оценить шероховатость. Приложенное напряжение определялось испытуемыми таким образом, чтобы стимуляция была достаточно четкой, чтобы ее можно было оценить, но не болезненной. Этот эксперимент проводился один раз для каждого испытуемого.

Результаты и обсуждение

4.1. Пороговое напряжение

На рис. 5 показано пороговое напряжение устройства с плоским электродом, устройства с односторонней иглой и предлагаемого устройства с плоской иглой с двумя сторонами в зависимости от частоты импульсов.На рисунке показаны средние значения для 17 испытуемых. Трое из 20 испытуемых не чувствовали никаких ощущений при использовании игл, поэтому их результаты были исключены. Как правило, пороговое напряжение недавно предложенного устройства с плоской двусторонней иглой оказалось даже меньше, чем у предыдущего устройства с односторонней иглой, и намного меньше, чем у плоских электродов. Зависимый t-критерий был использован для оценки статистической значимости этой тенденции и показал, что различия в среднем пороговом напряжении между устройствами с плоским электродом ( M = 72.29, SD = 21,57) и устройство двусторонней иглы-плоской ( M = 11,15, SD = 10,81) для всего субъекта были статистически значимыми (t (16) = 9,82, p <0,05, d = 3,58). Таким же образом сравнивали среднее пороговое напряжение устройства с односторонней иглой ( M = 19,03, SD = 11,76) и устройства с плоской иглой с двумя сторонами. Результат зависимого t-теста показал, что различия в среднем пороговом напряжении этих двух устройств для всего субъекта были статистически значимыми (t (16) = 2.97, p <0,05, d = 0,70). Средняя разница в пороге между устройством с односторонней иглой и устройством с плоской иглой с двумя сторонами у испытуемых составила 7,88 В> 0 ( SD = 10,95), это также показывает, что устройство с плоской иглой с двух сторон требует меньшее напряжение, чем устройство с односторонней иглой. С помощью приведенного выше статистического анализа мы подтвердили, что пороговое напряжение недавно предложенного устройства с плоской двусторонней иглой было значительно меньше, чем у устройства с односторонней иглой. Затем результаты каждого испытуемого анализировались независимо с помощью зависимого t-критерия.Этот результат показал, что 12 испытуемых показали пороговое напряжение устройства с двухсторонней иглой, которое было значительно меньше, чем их пороговое напряжение устройства с односторонней иглой (p <0,05), 4 испытуемых показали пороговое напряжение устройства с двумя иглами. -Side Needle-Flat устройство, которое было значительно больше, чем их пороговое напряжение устройства с односторонней иглой (p <0,05), и 1 испытуемый не показали значительной разницы в пороговом напряжении между двумя устройствами. На рис.6 (а) показаны результаты для субъекта, у которого пороговое напряжение устройства с плоской иглой с двумя сторонами значительно меньше, чем у двух других устройств (p <0.05). На рис. 6 (b) показаны результаты для объекта, у которого пороговое напряжение устройства с плоской иглой с двумя сторонами больше, чем у устройства с односторонней иглой, и нет значительной разницы между устройством с плоским электродом и устройством с плоской иглой. Двухстороннее игольчатое устройство. На рис. 6 (c) показаны результаты для субъекта, у которого нет значительной тенденции между устройством с плоской двусторонней иглой и устройством с односторонней иглой. Пороговое напряжение варьировалось среди испытуемых из-за толщины рогового слоя, состояния кожи и, в частности, состояния введенных игл.Правильное введение игл является наиболее важным условием для существенного снижения порогового напряжения устройства «двусторонняя игла».

Рис. 5. Пороговое напряжение устройства с плоским электродом, устройства с односторонней иглой и недавно предложенного устройства с плоской иглой с двумя сторонами в зависимости от частоты импульсов.

Результаты показаны для 17 субъектов. Планки погрешностей представляют собой стандартные отклонения.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148410.g005

Рис. 6. Результаты для трех испытуемых.

a) Статистически значимые результаты для одного испытуемого, p <0,05. б) Пороговое напряжение устройства с плоской иглой с двумя сторонами больше, чем у устройства с одной иглой, и разница в пороге между устройством с плоским электродом и устройством с плоской иглой с двумя сторонами не является статистически значимой. . c) Отсутствие существенной разницы в пороге между устройством с плоской двусторонней иглой и устройством с односторонней иглой.

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pone.0148410.g006

Этот эксперимент показал, что недавно предложенное устройство с плоской иглой с двумя сторонами требует меньшего напряжения для создания тактильных ощущений. Меньшее напряжение, которое соответствует низкому энергопотреблению, имеет большое преимущество для носимых устройств. Мы считаем, что устройство Two-Side Needle-Flat может стимулировать тактильные рецепторы глубоко в коже пальца, располагая противозаземляющий электрод на ногте. Это подразумевалось тем фактом, что испытуемые испытывали тактильные ощущения с меньшим покалыванием.Пороговое напряжение не менялось в зависимости от частоты.

4.2. Диапазон напряжения

На рис. 7 показана разница между V _th и V _pain ; данные являются средними для 17 субъектов. Диапазон напряжения устройства с двусторонней иглой и плоской иглой был больше, чем у устройства с односторонней иглой. Зависимый t-критерий был использован для оценки этой тенденции и показал, что разница в диапазоне напряжений между устройством Two-Side Needle-Flat ( M = 21.37, SD = 7,77), а устройство с односторонней иглой ( M = 14,05, SD = 9,67) было статистически значимым для всего субъекта (t (16) = 2,99, p <0,01, d = .83). Средняя разница между диапазоном напряжения устройства с плоской иглой с двумя сторонами и диапазоном напряжения устройства с односторонней иглой составляла 7,31 В, а стандартное отклонение составляло 9,78 для испытуемых. Эти результаты показывают, что диапазон напряжения устройства с двусторонней иглой значительно шире, чем у устройства с односторонней иглой.Затем был проведен статистический анализ результатов по каждому предмету. Результат зависимого t-теста показал, что 10 испытуемых продемонстрировали диапазон напряжения устройства с плоской двусторонней иглой, который был значительно шире, чем у устройства с односторонней иглой (p <0,05), 6 испытуемых не показали значимого разница в диапазоне напряжений между двумя устройствами, и 1 испытуемый показал диапазон напряжения устройства с двусторонней иглой и плоской иглой, который был уже, чем у устройства с односторонней иглой (p <.05). Узкий диапазон устройства с односторонней иглой привел к ограниченному разнообразию тактильных ощущений. Кроме того, пациенты с большей вероятностью почувствовали боль при использовании устройства с односторонней иглой. Было подтверждено, что новое предложенное устройство с заземляющим электродом на ногте имеет более широкий диапазон напряжений, что расширяет диапазон экспериментов с тактильным отображением, которые можно проводить.

Рис. 7. Разница между пороговым напряжением и болезненным напряжением для устройств с односторонней иглой и двусторонней иглой-плоской по отношению к частоте.

Планки погрешностей представляют собой стандартные отклонения. Показаны результаты для 17 человек. Диапазон не менялся с частотой, но устройство Two-Side Needle-Flat имело более широкий диапазон.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148410.g007

На рис.8 показана взаимосвязь между пороговым напряжением В _th болезненным напряжением В _болью и комфортным напряжение устройства Two-Side Needle-Flat; данные являются средними для 17 субъектов.Значение комфортного напряжения было примерно посередине между V _th и V _pain . Большой запас для достижения болезненного напряжения позволяет стабильно проявлять тактильные ощущения без риска возникновения боли из-за внезапного изменения состояния кожи.

4.3. Тест восприятия

На рис. 9 показаны результаты тестов восприятия. Блоки оттенков серого на рис. 9 (а) соответствуют средним значениям оценок шероховатости для 11 субъектов (1 = белый и 6 = черный) в отношении времени и частоты переключения.Тенденция ясно показывает, что шероховатость увеличивается со временем переключения, поскольку блоки темнеют к верхней части диаграммы. Для подтверждения этой тенденции был проведен корреляционный анализ. Средняя грубость суждений по испытуемым и время переключения имеют положительную корреляцию (r = 0,993, p <0,01). Частота не является доминирующим фактором. Этот результат подтвердил, что мы можем отображать различные ощущения, изменяя время переключения.

Рис. 9. Результаты теста восприятия.

a) Блоки в градациях серого соответствуют средним значениям шероховатости, о которых сообщили 11 испытуемых. б) Средние значения оценок грубости (усредненные по частотам) для 11 испытуемых. Планки погрешностей представляют собой стандартные отклонения.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0148410.g009

После тестов восприятия мы попросили испытуемых заполнить анкету об ощущениях, которые они воспринимали. На рис. 10 показаны вопросы анкеты и ответы 11 испытуемых.Мы также призвали испытуемых оставлять отзывы по каждому вопросу. Замечания испытуемых показали, что они признали, что ощущения менялись со временем переключения, но представленные ощущения не были такими же, как настоящие грубые или гладкие ощущения. Ощущение было скорее «медленным-быстрым покалыванием» или «щекоткой», чем настоящим ощущением «грубо-гладкого» для некоторых испытуемых. Большинство испытуемых сообщили, что отсутствие движения пальца мешает им чувствовать, что они касаются чего-то, и что «гладкое» ощущение может быть ближе к реальному, чем «грубое» ощущение, но ощущение, представленное пять игл было слишком коротким, чтобы распознать его идеально.Это одна из причин, почему оценка за вопрос 3 находится в середине оценки. Чтобы создать ощущение, будто объекты касаются реальной поверхности, потребуется другая система с несколькими рядами игл, покрывающих большую площадь пальца. Мы также обнаружили, что необходимо равномерное введение пяти игл для точного восприятия разницы в ощущениях при каждом переключении. Когда одна игла обеспечивала более сильную стимуляцию, чем другие иглы, испытуемым было трудно правильно оценить шероховатость.Дальнейшее изучение и улучшение системы необходимы, чтобы представить реальное восприятие шероховатости; однако мы успешно представили различные ощущения с помощью нашего нового устройства.

Выводы

Был предложен и продемонстрирован электротактильный дисплей с микроигольчатыми электродами на кончике пальца и противо-плоским электродом на ногте. Устройство способно стимулировать тактильные рецепторы, расположенные как в глубоких, так и в неглубоких областях кожи, что позволяет снизить пороговое напряжение для демонстрации тактильных ощущений субъектам.Более того, было экспериментально подтверждено, что разница между пороговым напряжением и болезненным напряжением была больше для нового устройства по сравнению с предыдущим устройством, что допускает большее изменение стимулирующих сигналов и, следовательно, тактильное ощущение. Новое устройство могло успешно контролировать шероховатость представленных тактильных ощущений, последовательно активируя отдельные электроды. Предложенный электротактильный дисплей выгоден с точки зрения низкого энергопотребления, легкого веса и гибкости и легко применим к инновационным технологиям передачи информации с использованием тактильной стимуляции.

Благодарности

Эта работа была поддержана Preursory Research for Embryonic Science and Technology (PRESTO, Information Environment and Human), Японское агентство науки и технологий.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: МТ НК НМ. Проведены эксперименты: МТ НК КТ. Проанализированы данные: МТ НК. Внесенные реактивы / материалы / инструменты анализа: МТ НК КТ НМ. Написал статью: МТ НК НМ.

Ссылки

1. 1.Сринивассан М.А., Дандекар К. Исследование механики тактильного ощущения с использованием двумерных моделей кончика пальца приматов. Пер. ASME, J. Biomech. Англ. 1996; 118: 48–55.
2. 2. Johansson RS. Тактильная чувствительность в руке человека: характеристики восприимчивого поля механорецептивных единиц в области голой кожи. J. Physiol. 1978; 281: 101–112. pmid: 702358
3. 3. Валлбо А.Б., Йоханссон Р.С. Свойства кожных механорецепторов в руке человека, связанные с ощущением прикосновения.Гм. Neurobiol. 1984; 3: 3–14. pmid: 6330008
4. 4. Чжан Ю., Мики Н. Оптимальная конструкция эпидермальных гребней тактильного датчика для повышения чувствительности при обнаружении силы сдвига. Транзакции IEEJ по датчикам и микромашинам. 2011; 131 (4): 141–147.
5. 5. Чжан Ю., Мики Н. Повышение чувствительности микромасштабного биомиметического тактильного сенсора с эпидермальными гребнями. J. Micromech. Microeng. 2010; 20: 085012 (7pp).
6. 6. Ян TH, Ким SY, Ким CH, Квон Д.С., Книга WJ.Разработка миниатюрного тактильного модуля с использованием упругой и электромагнитной силы для мобильных устройств. Proc. Eurohaptics 2009. 2009; 13–17.
7. 7. Ватанабэ Т., Фукуи С. Метод контроля тактильного ощущения шероховатости поверхности с помощью ультразвуковой вибрации. IEEE Int. Конф. Роб. Автомат. 1995. 1995; 1134–1139.
8. 8. Бьет М., Жиро Ф., Лемер-Семил Б. Эффект сжимающей пленки для дизайна ультразвуковой тактильной пластины. IEEE Trans. Ультразвуковой. Англ.Ферроэлектр. Freq. Контроль. 2007; 54: 2678–2688.
9. 9. Хоши Т., Такахаши М., Ивамото Т., Шинода Х. Бесконтактный тактильный дисплей, основанный на радиационном давлении воздушного ультразвука. IEEE Trans. Тактильные ощущения июль-сентябрь. 2010; 155–165.
10. 10. Исии Т., Хида Н., Ямамото А., Хигучи Т. Электростатический тактильный дисплей с использованием тонкопленочного слайдера. 6-й Int. Конф. Контроль движения и вибрации. 2002; 547–552.
11. 11. Jungmann M, Schlaak HF Миниатюрный электростатический тактильный дисплей с высокой структурной податливостью.Proc. Eurohaptics 2002. 2002; 12–17.
12. 12. Arouette X, Matsumoto Y, Ninomiya T., Okayama Y, Miki N. Динамические характеристики гидравлического усилителя для систем приводов большого смещения. Датчики. 2010; 10: 2946–2956. pmid: 22319281
13. 13. Косемура Ю., Исикава Х., Ватанабэ Дж., Мики Н. Характеристика поверхностей, виртуально созданных с помощью тактильного дисплея МЭМС. Jpn. J. Appl. Phys. 2014; 53: 06JM11.
14. 14. Кадзимото Х., Инами М., Каваками Н., Тачи С.Умное сенсорное увеличение чувствительности кожи с помощью электрокожного дисплея. В Proc. 11-го симпозиума по тактильным интерфейсам для виртуальной среды. и Teleoperator Systems, Лос-Анджелес. 2003. https://doi.org/10.1109/HAPTIC.2003.1191225
15. 15. Кадзимото Х., Каваками Н., Маэда Т., Тачи С. Отображение тактильных ощущений с использованием функциональной электрической стимуляции. В Proc. 9-го Междунар. Конф. по искусственной реальности и телексистенции. 1999; 107–114.
16. 16. Кадзимото Х., Каваками Н., Тачи С.Оптимальный метод проектирования для селективной стимуляции нервов и его применение для электрокожной индикации. В Proc. 10-го симпозиума по тактильным интерфейсам для виртуальной среды и телеоператорских систем, Орландо. 2002; 303–310. https://doi.org/10.1109/HAPTIC.2002.998973
17. 17. Кадзимото Х., Каваками Н., Тачи С. Психофизическая оценка избирательности рецепторов в электро-тактильном отображении. В Proc. 13-го Международного симпозиума по измерениям и контролю в робототехнике (ISMCR). 2003; 83–86.
18. 18. Кадзимото Х., Каваками Н., Тачи С. Умное прикосновение: электрическая кожа для прикосновения к неприкасаемым. IEEE Comput. График. Прил. 2004; 24: 36–43.
19. 19. Кадзимото Х., Каваками Н., Маэда Т., Тачи С. Электрокожный дисплей как интерфейс к виртуальному тактильному миру. Виртуальная реальность IEEE. 2001. 2001; 289–290.
20. 20. Китамура Н., Чим Дж., Мики Н. Электротактильный дисплей с использованием микропроцессорного набора игл. J. Micromech. Microeng. 2015; 25 (2).
21. 21. Montagna W, Lobitz WC. Эпидермис. 1-е изд. Нью-Йорк: Academic Press; 1964.
22. 22. Хираяма Х. Гистологическая конфигурация кожи японца, в частности изучение измерений. J. Med. Доц. компании Nippon Med. Школа. 1961; 28: 81–96 (на японском языке).
23. 23. Мартанто М., Мур С.Дж., Коуз Т., Праусниц Р.М. Механизм введения жидкости при введении и втягивании микроиглы. J. Control Release. 2006; 112: 357–361. pmid: 16626836
24. 24.Ju BF, Chen YL, Ge Y. Искусство электрохимического травления для изготовления вольфрамовых зондов с регулируемым профилем наконечника и характеристическими параметрами. Rev. Sci. Instrum. 2011; 82: 013707. pmid: 21280837
25. 25. Дегучи Т. Электролитическая обработка травлением растворами этиленгликоля. J. Общество отделки поверхностей Японии. 2010; 61: 305–306.
26. 26. Накагава Х., Йошимото Н., Эгашира М., Муранака Т., Хиронака М., Морита М. Электрополировка титана в растворах электролитов на основе смешанных растворителей этанола и этиленгликоля.J. Общество отделки поверхностей Японии. 2010; 61: 58–62.
27. 27. Китамура Н., Чим Дж., Мики Н. Влияние формы иглы на работу электро тактильного дисплея игольчатого типа. MEMS’14: 27-я Международная конференция IEEE Int. Конф. Micro Electro Mech. Syst. 2014; 1183–1184.
28. 28. Китамура Н., Чим Дж., Мики Н. Массив микроигольчатых электродов для электро тактильного дисплея. Transducers ‘13: 17th IEEE Int. Конф. Solid-State Sens., Актуаторы Microsyst. 2013; 106–107.

Как мозг обрабатывает тактильные ощущения: новые открытия — ScienceDaily

Традиционное понимание в нейробиологии состоит в том, что тактильные ощущения от кожи собираются только для формирования полноценного опыта в коре головного мозга, наиболее продвинутой части мозга.Однако это оспаривается новыми результатами исследования Лундского университета в Швеции, которые предполагают, что как другие уровни мозга играют большую роль, чем считалось ранее, так и что большая часть различных структур мозга участвует в восприятии прикосновения.

«Считалось, что тактильное ощущение, такое как прикосновение к простому объекту, активирует только очень небольшую часть коры головного мозга. Однако наши открытия показывают, что, вероятно, активируется гораздо большая часть.Сборка ощущений фактически начинается в стволе мозга «, — сказал исследователь нейробиологии Хенрик Йорнтелл из Лундского университета.

По словам его коллеги Фредрика Бенгтссона, который также участвовал в исследовании, это первое исследование, показывающее, как сложные тактильные ощущения от кожи кодируются на клеточном уровне в головном мозге.

«Наши открытия дали нам новый ключ к пониманию того, как восприятие прикосновения к коже обрабатывается и передается в мозг», — сказал он.

Исследователи из Лунда работали в сотрудничестве с исследователями из Парижа, чтобы изучить, как отдельные нервные клетки получают информацию от кожи. Они использовали «тактильный интерфейс», который создавал контролируемые ощущения перекатывания и скольжения, а также начала и прекращения контакта. Движения оказались решающими для восприятия осязания — то, что ранее было технически невозможно изучить.

Результаты шведско-французской исследовательской группы были опубликованы в известном журнале Neuron .Работа основана на экспериментах на животных и является, прежде всего, фундаментальным исследованием, направленным на расширение знаний о функциях мозга. Однако есть и возможные области применения.

«Нормальные протезы кисти и руки не дают никакой обратной связи и, следовательно, не дают ощущения, что они« настоящая »рука или рука. Однако есть новые усовершенствованные протезы с датчиками, которые могут передавать информацию об ампутированной руке. Наши исследования могут внести свой вклад в наши исследования. дальнейшее развитие таких датчиков «, — сказал Хенрик Йорнтелл.

Новые открытия могут также иметь отношение к психическим заболеваниям и заболеваниям мозга, таким как инсульт и болезнь Паркинсона. Детальное знание того, как мозг и его различные части обрабатывают информацию и создают картину тактильного опыта, важно для понимания этих условий.

«Если мы знаем, как работает здоровый мозг, мы можем сравнить его с ситуацией при различных заболеваниях. Тогда, возможно, мы сможем помочь мозгу пациентов функционировать более нормально», — сказал Хенрик Йорнтелл.

История Источник:

Материалы предоставлены Лундским университетом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

механизмов тактильного ощущения | Лаборатории коммуникационных наук NTT

Люди воспринимают такие материальные свойства предметов, как шероховатость, твердость и температуру на ощупь, и оценивают их как удобные или неудобные. Затем тактильные ощущения выражаются и передаются другим языком.Цель нашего исследования — понять механизмы обработки тактильной информации с многоуровневых точек зрения, а именно: от того, как физические стимулы воспринимаются тактильными рецепторами, до того, как кодируются нейронные сигналы, как формируются эмоциональные суждения и как ощущения выражаются устно. Благодаря результатам наших исследований мы надеемся разработать новые технологии тактильного представления информации и практические приложения для более глубокого общения.

В последние годы тактильное представление информации стало применяться в мобильных терминалах и игровых устройствах.Понимание того, как люди обрабатывают тактильную информацию, важно для развития технологий тактильного представления информации. Кроме того, поскольку тактильные ощущения глубоко связаны с чувством комфорта, привязанности и эмоциями, тактильные ощущения можно использовать не только для представления информации, но и для достижения более тесного общения, которое объединяет людей.

Точно так же, как глаза имеют разные ячейки для кодирования цветов (красный, зеленый и синий), наша кожа имеет различные датчики для обнаружения вибраций, температуры и другой информации.Мы используем психологические методы, чтобы изучить, как эти нейронные сигналы обрабатываются в человеческом мозге.

Иллюзии — это явления, при которых существует несоответствие между тем, что наш мозг воспринимает, и тем, что существует на самом деле. Они дают важные подсказки, проливающие свет на то, как нейронные органы обрабатывают тактильную информацию. Кроме того, иллюзии резко улучшили возможности устройств представления информации. Мы проводим исследования тактильных иллюзий, таких как иллюзия тактильной непрерывности (см. Справа (1)) и иллюзия теплового направления (см. Справа (2)).

Тактильные ощущения глубоко связаны с предпочтениями, комфортом и другими сенсорными суждениями. Мы также проводим исследования, чтобы выяснить взаимосвязь тактильных ощущений и эмоций.

Анализ слов — это средство психологического изучения категорий ощущений. Мы сосредоточились на звукоподражаниях (общий термин для миметических слов) и создали двумерную карту распределения звукоподражаний на основе их впечатлений. Карта позволила нам визуализировать взаимосвязь категорий в контакте.

Термоупругие эффекты, индуцированные лазером, могут вызывать тактильные ощущения

Взаимодействие лазера с веществом и его применение во многих областях широко исследовались с момента разработки рубинового лазера в 1960 году, что позволило найти множество мощных приложений, таких как термоядерный синтез. , лазерный отжиг, нелинейная оптика и абляция и коагуляция тканей в медицине, а также приложения с низким энергопотреблением, такие как оптоволоконная связь и спектроскопия. До сих пор было известно, что механический аспект взаимодействия лазера с веществом связан с генерацией волн напряжения (или акустических) на основе пяти основных механизмов взаимодействия: пробоя диэлектрика, испарения или абляции, термоупругих процессов, электрострикции и радиационного давления.В режиме линейного взаимодействия с излучением малой мощности, имеющим короткую длительность импульса в несколько наносекунд или меньше, термоупругий процесс является доминирующим, особенно при взаимодействии с биологической средой, такой как ткань ^5,6,7,8 . Когда лазерный луч облучает ткань, падающий свет обеспечивает распределение световой энергии в ткани падающим светом в соответствии с оптическими свойствами кожи, такими как коэффициент поглощения, коэффициент рассеяния и показатель преломления. Энергия падающего света затем преобразуется в тепловую энергию, отражающую тепловые свойства ткани, такие как проводимость, теплоемкость, коэффициенты конвекции и излучательная способность, а температура в ткани увеличивается с последующей теплопередачей к окружающим тканям.В этом случае используются два типа фотоэффектов в зависимости от уровня энергии и скорости увеличения температуры: фототермический эффект и фотомеханический эффект. При фототермическом эффекте тепловая энергия накапливается достаточно, чтобы вызвать коагуляцию или абляцию ткани с испарением и пиролизом. С другой стороны, в случае фотомеханического эффекта мгновенный нагрев ткани из-за поглощения энергии импульсным лазерным излучением вызывает быстрое тепловое расширение нагретого объема в ткани и создает термоупругие волны, когда нагретый объем переконфигурируется в новое состояние равновесия.Термоупругие волны появляются в виде переходной формы волны и распространяются в ткани со скоростью звука ~ 1,5 км / с, вызывая механическое смещение в ткани и тем самым обеспечивая возможность активации механорецепторов. Следует заметить, что именно напряжение (или, что то же самое, смещение), а не стресс, непосредственно вызывает физические ощущения, если таковые имеются.

На рис. 1а представлена ​​схематическая диаграмма экспериментальной установки для обнаружения механического воздействия лазера на образец кожи трупа, оптические и механические характеристики которого во многом аналогичны характеристикам in vivo кожи человека.Использовался лазер с модулируемой добротностью с удвоенной частотой при длине волны 532 нм и длительности импульса 5 нс. Образец кожи трупа прикрепляли к передней стороне преобразователя из поливинилиденфторида (ПВДФ). Диаметр пятна был установлен равным 0,48 мм. Для проверки энергетической зависимости механического воздействия, индуцированного лазером, импульсный лазер облучали энергией луча от 0,12 до 1,90 мДж, что было ниже уровня максимально допустимого воздействия (МПЭ) 20 мДж / см ² при усреднении по ограничивающая апертура 3.Диаметр 5 мм, обеспечивающий безопасность воздействия на кожу лазерного излучения. Затем было проведено гистологическое исследование, чтобы убедиться, что механическое воздействие лазерного излучения не было вторичным явлением, вызванным повреждением кожи трупа. Окрашенные срезы показали типичные морфологические особенности нормальной тонкой кожи как контрольной, так и подвергнутой лазерному облучению кожи трупа (дополнительный рисунок 1).

Физические эксперименты: Лазерное облучение образца кожи трупа.

а . Принципиальная схема экспериментальной установки для обнаружения механического воздействия лазера на образец кожи трупа. Импульсный лазер с модуляцией добротности с удвоенной частотой (ширина импульса 5 нс) использовался для генерации однократного лазерного луча на длине волны 532 нм. Сгенерированный луч был настроен для фокусировки на образце кожи через оптический фильтр и линзу. Размер пятна луча на образце кожи составлял 0,48 мм. Образец кожи трупа прикрепляли к передней стороне преобразователя из ПВДФ.В эксперименте использовались восемь различных энергий пучка в диапазоне от 0,12 до 1,90 мДж, оставаясь ниже уровня MPE, чтобы гарантировать отсутствие биологического повреждения образца кожи. б . Временные ряды выходных сигналов датчика преобразователя PVDF, записанные от 20 мс до до 400 мс после стимуляции, представлены в виде напряжения [В] по левой вертикальной оси и давления [МПа] по правой вертикальной оси, соответственно. Сложные структуры механических волн последовательно наблюдались для восьми различных уровней энергии пучка.Первые отрицательные пики (~ 5 мс после стимуляции) были вызваны волнами напряжения, приходящими на датчик. Последующие сложные формы сигналов были связаны с динамикой датчика и измерительной установки. с . Значения давления, измеренные на первых отрицательных пиках, генерируемых различными уровнями энергии пучка. Белые кружки обозначают средние значения давления, а вертикальные полосы обозначают стандартное отклонение. Максимальные давления составляли 0,68 ± 0,02 МПа, создаваемые пучком максимальной энергии (1.90 мДж). Значения давления линейно коррелировали с уровнями энергии пучка ( r ² = 0,9969, наклон модели линейной регрессии = 0,35 МПа / мДж). (Рис. 1 был получен из Университета Конкук, нарисован с помощью программного обеспечения MATLAB и MS Power Point и создан Джэ-Хун Джун).

На рис. 1b среднее значение записанных во времени выходных сигналов представлено в виде напряжения [В] по левой вертикальной оси и давления [МПа] по правой вертикальной оси, соответственно. Сложная волновая картина механических волн постоянно возникала при изменении энергии луча.Передние отрицательные пики создавались волнами напряжения, приходящими сначала на датчик, а последующие сложные формы сигналов были связаны с динамикой датчика и измерительной установки. Максимальные давления наблюдались при максимальной энергии пучка (1,90 мДж). На рис. 1в нанесено давление, создаваемое деформацией, и его максимальное значение составило 0,68 ± 0,02 МПа. Между давлением и энергией пучка существует линейная зависимость с крутизной 0,35 МПа / мДж. В заключение подтверждается, что механический эффект создается эффективно, когда импульсный лазер облучает образец кожи трупа малой мощностью, варьирующейся в зависимости от уровня MPE.Хотя этот эксперимент in vitro с кожей трупа имел граничные условия, отличные от эксперимента in vivo с кожей человека , он давал возможность вызвать тактильные ощущения в коже, обнаруживая волны напряжения из-за термоупругих эффектов в коже трупа, чьи основные компонент представляет собой коллаген, как в коже человека in vivo .

Инфракрасное изображение

Поскольку быстрое тепловое расширение тесно связано с деформацией кожи, оценка изменений температуры кожи человека может отражать возникновение термоупругих эффектов.Таким образом, мы стремились показать in vivo мгновенное и относительно небольшое повышение температуры в случае термоупругих эффектов без теплового повреждения кожи. Мы измерили индуцированное лазером изменение температуры на поверхности указательного пальца с помощью инфракрасной (ИК) камеры.

График на рис. 2а показывает временные изменения температуры в пятне луча в ответ на лазерную стимуляцию с энергией 1,90 мДж и длительностью импульса 5 нс. ИК-изображение велось от 0.От 05 с до стимуляции до 1,5 с после стимуляции с частотой кадров 400 Гц. Пространственное разрешение ИК-изображений составляло 0,14 × 0,14 мм ² . Временной профиль продемонстрировал, что поглощение энергии в начале лазерной стимуляции привело к мгновенному увеличению температуры на 1,63 ° C. Затем температура экспоненциально снижалась со временем с постоянной времени 60 мс, возвращаясь в исходное состояние. Наблюдаемая постоянная времени (60 мс) была на одном уровне с теоретически ожидаемой постоянной времени (порядка 100 мс) в механизме термодиффузии.Изменение температуры, наблюдаемое в эксперименте in vivo , было на 0,87 ° C ниже, чем в моделировании, что может быть связано с ограничениями пространственного и временного разрешения ИК-камеры, а также с индивидуальными вариациями оптических коэффициентов.

Измерения температуры кожи in vivo: индуцированные лазером изменения температуры на поверхности кожи человека, измеренные с помощью ИК-камеры.

а. Временные изменения температуры в пятне луча указательного пальца, отсчитываемое от 0.От 05 с до до 1,5 с после лазерной стимуляции. Использовался тот же лазер, что и на рис. 1, импульсный лазер с модуляцией добротности с удвоенной частотой, длиной волны 532 нм и длительностью импульса 5 нс. ИК-изображения, полученные за 0,05 с до стимула, начала стимула и 1,5 с после стимула, показаны в правом верхнем углу графика слева направо. Пространственное разрешение ИК-изображений составляло 0,14 × 0,14 мм ² . Временное разрешение или частота кадров составляли 400 Гц. Максимальное повышение температуры составило 1.63 ° С. г. Пространственное распределение температуры в окрестности пятна луча в условиях in vivo . Были предоставлены как двухмерный контур (верхний ряд), так и трехмерные графики (нижний ряд) пространственного распределения температуры. Первый и второй столбцы представляют собой пространственные распределения температуры до и после лазерной стимуляции соответственно. Последний столбец показывает пространственное распределение изменения температуры (Δ T ), полученное вычитанием первого столбца из второго столбца.(Рис. 2 был получен из Университета Конкук, нарисован программой MATLAB и создан Jae-Hoon Jun)

На рис. 2b показано пространственное распределение температуры около пятна луча на указательном пальце, распределенное вокруг пятна луча. Для лучшего представления были предоставлены как двумерный контур, так и трехмерные графики пространственного распределения температуры. Первый и второй столбцы представляют собой пространственные распределения температуры до и после лазерной стимуляции соответственно. Последний столбец показывает пространственное распределение изменения температуры (ΔT), которое было получено вычитанием первого столбца из второго столбца.Эффективный диаметр нагретой области был оценен как ~ 0,59 мм на уровне 1 / e путем усреднения значений, определенных в четырех различных направлениях, что было сопоставимо с результатом моделирования методом Монте-Карло с учетом эффектов рассеяния, т. Е. 0,55 мм, приведено в следующем разделе (рис. 3б).

Монте-Карло:

Распределения плотности потока энергии ( a ) и повышения температуры ( b ) в коже. а. Распределение плотности потока энергии в коже, полученное в результате моделирования методом Монте-Карло при мощности падающего лазера 1 Вт. Предполагалось, что пространственный профиль падающего света соответствует распределению Гаусса с диаметром 1/ e 0,48 мм. г. Распределение повышения температуры кожи, рассчитанное с энергией импульса 1,90 мДж. Предполагалось, что кожа состоит из двух слоев (эпидермиса и дермы). Максимальное повышение температуры составило ~ 2,5 ° C, а эффективный диаметр на уровне 1/ e был ~ 0.55 мм. (Рис. 3 был получен из Университета Чосун, отрисован программным обеспечением MATLAB и создан Jong-Rak Park)

В итоге in vivo результаты подтверждают возможное генерирование деформационных волн из-за термоупругих эффектов лазерной стимуляции, показывая быстрое увеличивает температуру кожи человека на 1,63 ° C с помощью лазерного воздействия с длительностью импульса 5 нс и энергией 1,90 мДж. Более желательным решением для проверки волн деформации, генерируемых лазерными стимулами, могло бы быть прямое измерение физического смещения кожи человека in vivo , e.g., используя оптический микроскоп или интерферометр. Из моделирования, приведенного в следующем разделе, ожидается, что повышение температуры на ~ 2 ° C вызовет смещение кожи человека порядка нескольких сотен нанометров. В этом случае оптический микроскоп недоступен с точки зрения пространственного разрешения, тогда как интерферометр, позволяющий измерять смещения в наномасштабе, можно рассматривать как хорошую альтернативу. Однако на практике также трудно использовать интерферометр для измерения такого небольшого смещения кожи человека in vivo , так как этому может существенно помешать непроизвольное движение тела, которое может вызвать неожиданное смещение.Поэтому вместо этого мы оценили возможное смещение кожи человека из-за лазерной стимуляции, используя моделирование методом Монте-Карло и последующее моделирование термоупругого волнового уравнения, которое будет описано в следующем разделе.

Моделирование индуцированных лазером термоупругих эффектов в коже человека

Мы также выполнили моделирование методом Монте-Карло, чтобы должным образом учесть характеристики переноса и поглощения света в коже человека. Для моделирования предполагалось, что кожа состоит из двух слоев: эпидермиса и дермы.Толщина эпидермиса была установлена ​​равной 100 мкм, что является средним значением толщины эпидермиса, о котором сообщалось в предыдущем исследовании с использованием оптической когерентной томографии ⁹ . Длина волны и пространственный профиль были приняты равными 532 нм и гауссову с диаметром 1/ e , равным 0,48 мм, соответственно. Те же настройки параметров, включая энергию импульса, используемую для расчета повышения температуры, описанного вкратце, также были применены для изучения реакции мозга на лазерную стимуляцию с использованием экспериментов с ЭЭГ человека, которые будут обсуждаться позже.

На рис. 3a показано распределение плотности потока энергии в коже, полученное в результате моделирования методом Монте-Карло, когда мощность падающего лазера составляла 1 Вт. На основе этого результата распределение повышения температуры (см. Рис. 3b) также было рассчитано в соответствии с ^10.

где W — это распределение плотности поглощенной энергии, ρ — массовая плотность и C — удельная теплоемкость. Энергия в импульсе падающего света принималась равной 1,90 мДж. Оптические и физические свойства кожи человека были взяты из недавно опубликованной литературы ^11,12 и подробно представлены в разделе методов.Из-за разницы в коэффициентах поглощения между слоями эпидермиса и дермы распределение температуры показало резкое изменение на границе между двумя слоями. Максимальное повышение температуры у поверхности кожи составило ~ 2,5 ° C. Эффективный диаметр на уровне 1/ e составил ~ 0,55 мм.

Затем мы смоделировали термоупругие эффекты, вызванные импульсным лазером на коже человека, путем численного интегрирования термоупругого волнового уравнения ^13,14 , которое было обобщено в разделе «Метод», для распределения температуры, полученного в результате моделирования методом Монте-Карло.Предполагалось, что температура линейно возрастает в течение длительности лазерного импульса (т.е. 5 нс). Предполагая симметрию в радиальном направлении, были приняты цилиндрические координаты, где оси z и r представляют направление в кожу (осевое направление) и радиальное направление, соответственно. На рис. 4а, б показаны результаты моделирования осевой ( u _z ) и радиальной ( u _r ) компонент вектора смещения u , который полностью определяет деформацию кожи как функция времени.Пространственное распределение u _z и u _r было представлено в пять различных моментов времени (100 нс, 200 нс, 300 нс, 400 нс и 10000 нс) после падения лазерного импульса. . Было видно, что u _z и u _r постепенно накапливаются в значительной степени вблизи поверхности кожи, а их части распространяются в кожу. Фактически, было известно, что решение термоупругого волнового уравнения делится на две группы: временное нестационарное решение и не зависящее от времени квазистационарное решение ¹⁵ .Переходное решение распространяется со скоростью звука и в конечном итоге исчезает в области вблизи поверхности кожи. Напротив, квазистационарный раствор появляется около поверхности кожи после того, как переходный раствор затухает. Согласно нашему моделированию, было замечено, что амплитуда переходного раствора достигала максимума между 200 нс и 300 нс, а затем продолжала уменьшаться во время прохождения через кожу. Поскольку квазистационарное решение вызвано неравномерным распределением температуры, оно также постепенно исчезает с термодиффузией ¹⁵ .Мы не обнаружили существенного изменения после 10 000 нс в области 1 мм (аксиальный) × 1 мм (радиальный). Максимальные амплитуды переходного решения составили ~ 85 нм для u _z и ~ 40 нм для u _r соответственно, тогда как для u _{z они составили ~ 230 нм.} и ~ 90 нм для квазистационарного решения соответственно.

Результаты моделирования термоупругого волнового уравнения:

Осевое смещение u _z ( a ) и радиальное смещение u _r 3 () при 5 различных b моменты времени (100 нс, 200 нс, 300 нс, 400 нс и 10000 нс) после падения лазерного импульса длительностью 5 нс. а. Максимальные амплитуды осевого смещения составляли ~ 85 нм для переходных волн и ~ 230 нм для квазистационарных решений соответственно. Положительные значения указывают на смещение в коже, а отрицательные — на воздух. г. Максимальные амплитуды радиального смещения составляли ~ 40 нм для переходных волн и ~ 90 нм для квазистационарных решений соответственно. В обоих случаях переходные волны распространяются в кожу со скоростью звука с уменьшающейся амплитудой, и квазистационарное состояние достигается при 10 000 нс в области 1000 мкм (аксиальная) × 1000 мкм (радиальная) под поверхностью кожи.(Рис. 4 был получен из Университета Чосун, нарисован программой MATLAB и создан Jong-Rak Park)

Поскольку термоупругие волны имеют пространственную протяженность порядка размера нагретой области и распространяются со скоростью звука, временная длительность τ _str , в течение которой переходные термоупругие волны продолжают существовать в определенной области кожи, задается формулой ¹⁰

, где d — характерная длина нагретой области, а c — скорость звука в коже (≈ 1540 м / с).τ _str также известно как время удержания напряжения. Из-за большего коэффициента поглощения слоя эпидермиса d можно принять за толщину слоя эпидермиса, т.е. ~ 100 мкм. В этом случае τ _str = 65 нс. С другой стороны, характерный временной масштаб распада квазистационарного раствора, который сравним со временем термодиффузии, можно оценить как ¹⁶

, где κ — коэффициент температуропроводности.Для типичного значения κ (= 0,15 мм ² / с) для биологической ткани ¹⁷ , τ _d = 67 мс согласно формуле. (3). Это характерное время составляет порядка 100 мс. Хотя амплитуды переходного решения меньше, чем амплитуды квазистационарного решения, а τ _str намного меньше, чем τ _d , вероятно, что переходные термоупругие волны играют главную роль в сенсорно вызванных реакция, вызывая внезапный механический взрыв, который может активировать все сенсорные рецепторы около поверхности кожи почти одновременно с помощью их уникальных динамических характеристик.

Эксперименты по поведенческой и электроэнцефалографии (ЭЭГ)

Наконец, было продемонстрировано сходство между механической и лазерной стимуляцией с точки зрения поведенческих и корковых реакций у людей. Что касается корковых ответов, мы сосредоточились на характеристиках корковой активности, которые можно неинвазивно измерить с помощью ЭЭГ или магнитоэнцефалографии (МЭГ), и были исследованы для понимания того, как соматосенсорная информация обрабатывается в головном мозге ^18,19 . Было продемонстрировано, что как безобидные, так и вредные раздражители вызывают изменения амплитуды и фазы корковых колебаний ¹⁸ .В частности, безобидный тактильный стимул вызывает снижение спектральной мощности ЭЭГ в альфа-диапазоне частот (11–13 Гц) и бета-диапазоне частот (21–28 Гц) с последующим увеличением бета-частоты. полоса над сенсомоторной областью коры ^18,19,20,21 . В ЭЭГ этот тип уменьшения и увеличения мощности корковых колебаний часто называют десинхронизацией, связанной с событием (ERD) и синхронизацией (ERS), соответственно. Ядовитое тепло и лазерные раздражители также вызывают ERD и / или ERS в альфа- и бета-диапазоне в сенсомоторной области ^22,23 .В настоящем исследовании мы исследовали, как эти альфа- и бета-паттерны ERD / ERS менялись в зависимости от различных стимулов, включая механическое давление, лазер и тепло. Мы предполагаем, что, если человек ощущает не ноцицептивное тактильное ощущение при лазерной стимуляции, паттерны, вызванные ERD / ERS, в этом случае должны быть аналогичны паттернам при механической тактильной стимуляции, но отличаться от паттернов при ноцицептивной лазерной стимуляции. В дополнение к ERD / ERS-анализу мы также исследовали латентность событийно-связанных потенциалов (ERP), вызванных различными стимулами.Поскольку сенсорный ввод, опосредованный кожными ноцицептивными волокнами, достигает кортикальных областей медленнее, чем тот, который опосредован не ноцицептивными волокнами, мы предположили, что латентный период ERP, вызванный ноцицептивной лазерной стимуляцией, будет дольше, чем латентный период, вызванный не ноцицептивной лазерной стимуляцией.

Сначала мы исследовали поведенческие реакции участников на лазерную стимуляцию, также периодически доставляя фиктивные стимулы. После каждой стимуляции участников просили выбрать один из трех ответов: нет ощущения, безболезненное ощущение и болезненное ощущение.Они обнаружили лазерную стимуляцию с точностью 75,8%. Чувствительность восприятия стимула с учетом лазерного стимула составляла 68,6%, а специфичность восприятия стимула с учетом ложного стимула составляла 97,4%. Кроме того, при предъявлении лазерного стимула 56,3%, 12,3% и 31,4% участников сообщили о безболезненном ощущении, болезненном ощущении и отсутствии ощущения, соответственно (рис. 5а). Отмечается, что во избежание повреждения кожи параметры лазера были выбраны в пределах допустимого уровня MPE.После каждого эксперимента мы визуально подтверждали отсутствие повреждений облученного участка кожи каждого участника. Результат, заключающийся в том, что 12,3% участников ощущали боль от лазерной стимуляции, вероятно, связан с индивидуальными различиями в неконтролируемых факторах, таких как пол ^24,25 , возраст ^26,27 и толщина жировой ткани ²⁸ .