埋め込み型センサーは、ラットの足に触覚を戻しました

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Anonim
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イスラエルの科学者たちは、神経が損傷したときにいつの日か触覚を回復できるセルフパワーの埋め込み型センサーを開発しました。ジャーナルACSNanoに掲載された論文で、研究者は左足の神経が切断されたラットに対して摩擦電気効果装置をテストしました。デバイスは、齧歯動物の手足の感度を正常に復元しました。

触覚の喪失は末梢神経損傷のある人によく見られ、負傷した患者の2.8パーセントに影響を及ぼします。今日、神経修復のゴールドスタンダードは、神経同種移植などの外科的神経再建です。しかし、神経の再建を成功させるには、損傷後の最初の2年間しか実行できません。さらに、標的臓器の生存能力が重要です。しかし、これらの条件が満たされていても、成功する可能性は低いです。

触覚を回復する別の方法は、神経プロテーゼの開発です。ただし、利用可能な神経補綴技術には、使用と製造の複雑さ、外部電源の必要性など、重大な欠点があります。義手を感知するための実験インターフェースのほとんどは、末梢神経に接続されています。トレーニング中、それらの刺激は脳内に新しい神経接続の形成をもたらし、それがプロテーゼのセンサーからの信号を触覚に変換します。そのような感覚は、原則として、自然とはほど遠いものであり、チクチクする感覚またはチクチクする感覚に似ています。さらに、そのようなインターフェースは、末梢神経と大脳皮質の間の邪魔されない接続を必要とします。

現在、Iftach Shlomyが率いるテルアビブ大学の研究者チームは、摩擦電気ナノ発電機を使用して触覚を回復することを提案しています。このようなデバイスは、摩擦電気効果の使用に基づいています。摩擦の結果として材料に電流が発生します。具体的には、研究者たちは開発したデバイスをTENG-ITと名付けました。これは、電極として機能する金の薄層上に堆積された2つの層で構成されています。負に帯電した材料としてポリジメチルシロキサンを選択し、正に帯電した層としてナイロンと酢酸ブチレートセルロースをテストしました。これらは両方とも柔軟性があり、生体適合性があり、高い電位を生成できるためです。ナイロン(0.73ボルト)よりも酢酸ブチレートセルロースの方が高い出力電圧(0.97ボルト)が観察されました。さらに、酢酸ブチレートセルロースがより安定した材料であることがわかった。

デバイスが皮膚の下に埋め込まれると、デバイスに加えられた圧力が電位に変換され、カフ電極を介して損傷を受けていない隣接する神経に伝達され、次に脳に信号が伝達されます。科学者は、50万回以上のクリックでデバイスの耐久性をテストし、26日間の生物学的条件をシミュレートしました。

その後、科学者はin vitroでセンサー(5×5ミリメートル)の動作を実証し、デバイスが脊髄神経節のニューロンに電気的活動を誘発できること、およびこの活動の程度が加えられた圧力のレベルに依存することを示しました。その後、科学者たちは生体内実験に移りました。これを行うために、彼らは左脚の遠位脛骨神経が切断されたラットにトランスデューサーを移植しました。遠位脛骨神経の末端部分は運動機能にとって重要ではないため、そのような損傷は感度を低下させるだけであり、動物の動きを妨げることはないと想定されていました。デバイスをラットの足の形によりよく適合させるために、科学者は24平方ミリメートルの面積を持つ三角形の形でそれを作りました。

研究者らは、9匹の雌ラットを3つのグループに分けました。最初のグループの被験者は何の処置も受けず、2番目のグループのラットは神経が切断され、3番目のグループの動物も神経が切断されましたが、TENG-ITデバイスが負傷した手足に埋め込まれました。ラットが手術から回復した後、科学者たちは動物が正常に動いたり足を踏み入れたりする能力を失わないことを確認しました。

その後、科学者はすべてのグループのラットの足の感度を測定しました。感度は、異なる剛性のフォンフレイスレッドに足をさらすことによって評価されました(スレッドの曲げ力は2〜15グラムでした)。ラットの足に下から力を加え、力を感じるとすぐに足を上げた。機能的な触覚を持つ動物は通常、少量の力に反応しますが、触覚のないラットははるかに高い値の力にしか反応しません。高レベルの力が負傷した手足だけでなく影響を与えるため、神経が切断されたラットでさえ、最終的に刺激に反応することに注意する必要があります。

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(a)ラットの後足の神経の概略図。 (b)ラットの足へのTENG-ITの外科的移植の画像。 (c)すべてのグループのラットが後肢で1分間過ごした時間の割合(運動機能スコア)。 (d)四肢の感度を測定するための装置。 (f)感度テストの結果。

動物の対照群は低レベルの力(2.69±0.12グラム)に反応したが、2番目のグループ(神経が切断された)のラットは高レベルの力(14.12±2.53グラム)にのみ反応したことがわかった。トランスデューサーが埋め込まれた神経が損傷したラットは、トランスデューサーがないラットと比較して、はるかに少ない力(3.99±3.54グラム)に反応しました。さらに、この結果は、対照群の動物の結果と同等でした。

2016年、アメリカの科学者は、完全に麻痺した人が物体に触れることを可能にする義手とニューロインターフェースを作成しました。多くの義手とは異なり、それは手の末梢神経に接続していませんが、手の触覚感度に関与する大脳皮質の領域に直接接続しています。適応とトレーニングの期間の後、患者はほぼ100パーセントのケースで個々の指に触れていることを正しく認識することができました。彼によると、感覚は電流や圧力の作用に似ていることがありますが、ほとんどの場合、彼は自然に近いタッチやプレスを感じます。

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