Design ved fingertuppene: Forskere sliter med modellfølelse for berøring
Evolution news; 7. juli 2017
Oversatt herfra:

Bilde 1: Victor Borge, via YouTube.

Pianisten Victor Borge (1909-2000) var elsket ikke bare for sine komedie- varieté-nummer, men også for følsomheten ved sin tangent-berøring. Han opprettholde muligheten for å tolke de mest subtile stykkene som Claire de Lune (klikk på bildet over for å gå dit) med ekstrem delikatesse helt til han var 90 år, da han fortsatt ga 60 forestillinger i året. Det ville være vanskelig å designe en robot med det holdbarhetsnivået, påliteligheten eller følsomheten. Vitenskapsmenn vet, fordi de har det vanskelig for å forstå det, enn si, imitere det.
Fire forskere fra University of Chicago og University of Sheffield (UK) har gjort store fremskritt i forhold til tidligere forsøk i å modellere berøringsfølelsen. I en artikkel i Proceedings of the National Academy of Sciences -her , "Simulating tactile signals from the whole hand with millisecond precision," (simulere taktile signaler fra hele hånden med millisekund presisjon), annonserer de sin nye matematiske modell av en hånds nevrale responser under en rekke finger-touch-eksperimenter, i håp om å hjelpe robot-ingeniører som ønsker å etterligne menneskelig berøring. Merk ordene kode og informasjon:

"Når vi tar tak i et objekt, blir tusenvis av taktile nervefibre aktivert og informerer oss om dens fysiske egenskaper (f.eks. Form, størrelse og struktur). Selv om egenskapene til individuelle fibre er blitt beskrevet, forblir vår forståelse av hvordan objekt-informasjon er kodet i populasjoner av fibre primitiv. For å fylle dette gapet har vi utviklet en simulering av taktile fibre som inkorporerer mye av det som er kjent om hudmekanikk og taktile nervefibre. Vi viser at simulerte fibre matcher biologiske, over et bredt spekter av forhold som er samplet fra litteraturen. Vi viser deretter hvordan denne simuleringen kan avsløre tidligere ukjente måter hvor populasjoner av nervefibre samarbeider for å formidle sensorisk informasjon og diskutere implikasjonene for bioniske hender." [Understreking lagt til.]

I motsetning til tidligere eksperimenter som forsøkte å måle nevrale fibre fra enkelte sensorer i apers eller menneskers hud, simulerer denne nye modellen tilsvarende tusenvis av sensorer, basert på kunnskap om deres klassifikasjon og fordeling i huden på den menneskelige hånden. Teamet inkorporerte tre klasser av nervefibre i modellen:
*Langsomme Tilpasnings (LT) sensorer : Disse reagerer primært på romlig informasjon fra stimulansen.
*Hurtige Tilpasnings (HT) sensorer : dobbelt så tett pakket som LT sensorer, disse gir en blanding av romlige og vibrasjons-responser.
*Kapslede Sensorer (KS): mindre tettpakket enn de andre typene, disse nevronene er sensitive for vibrasjoner og bølger som genereres av bevegelse gjennom hudoverflaten.

Bilde 2. To hender -ulikt opprinnelse?

Hver av disse fibrene produserer 'fibertog' som koder for forskjellige aspekter av stimulus, som hjørner, kompresjon og vibrasjon. En type alene kan ikke formidle mye om kilden, men sammen gir de hjernen et rikt utvalg av data. Tolket riktig, gjør denne informasjonen hjernen i stand til å trekke konklusjoner om størrelse, form og struktur av et objekt ved berøring alene. En blind person kan dermed "se" Braille bokstaver med fingertuppene hvor disse nevronene er tett pakket: "hver fingertupp inneholder bare under 1000 fibre," skriver artikkelen, og gir fin oppløsning, spesielt fra høy-oppløsnings LT1-fibre.

Spike-togene blir mer komplekse idet fingertuppene beveges inn i eller over kilden, og aktiverer flere av HT- og KS-fiberene. Bare å trykke en tast på et tastatur er en kompleks handling, med omgivende nevroner som blir involvert ettersom presset påføres eller frigjøres. Å flytte en finger over en overflate setter opp bølger som forplanter seg i hele hånden, aktiverer flere sensorer langs fingerens lengde og inn i håndflaten. Alt dette skjer innen millisekunder (tusendeler av et sekund), som det må gjøre når du vurderer den raske handlingen av å skrive eller spille et raskt piano stykke. Selv om PC-fibre er mindre tett befolket, så blir deres aktiviteter "store i forhold til det med aktive LT1- eller RA-fibre", sier forfatterne, siden de nesten alle blir aktivert under en gripe-operasjon eller når de føler vibrasjoner.

Forfatterne beskriver deres innsats for å "tune" eller "passe" deres modell til kjente fakta om nevroner i hånden. Til slutt oppnådde de et godt samsvar (match) for ting som hjørne- deteksjon, kant-orientering og bevegelsesretning for enkle handlinger. Likevel utelatt viktige evner som temperatur eller smerte-følelse - to viktige innganger som kan generere reflekshandlinger som aktiverer armmusklene til å rive hånden bort, før hjernen er klar over faren. Unødig å si, overser deres modell helt ting som svettekjertler, blodkar, immunceller og alt annet utstyr pakket inn i en fingertupp.

Bilde 3. Sener og nerver i handa

Mens den nye modellen gjenspeiler beundringsverdige fremskritt i å forstå berørings- følelsen, og mens det utvilsomt hjelper ingeniører som søker å forbedre proteser og robotteknikker, innrømmer forfatterne i det siste avsnittet en rekke begrensninger på deres modell. For eksempel stilte de modellen til informasjon fra rhesus-makaker, i det de visste at mennesker har en ekstra type taktil-sensorer som heter SA2-fiber. De tilpasser også deres modell til kompresjonshandlinger, men ikke til glide-handlinger. I tillegg tok de ikke fingeravtrykk i betraktning.

Her er hvorfor det kan være en alvorlig mangel i modellen:
"For det tredje behandler hudmekanikk-modellen huden som en flat overflate, når den i virkeligheten ikke er det. Den 3D-formen til hud er viktig under store deformasjoner av fingertuppet. Hvis du for eksempel trykker fingerputen ned på en flat overflate, får det huden ved siden av fingertoppen å bøye seg ut, noe som igjen fører til at reseptorer som ligger der responderer. Slike kompliserte mekaniske effekter kan replikeres ved bruk av endelige mekaniske modeller, men ikke ved bruk av Kontinuum-Mekanikken (KM) -modellen som er vedtatt her. I den grad friksjon er et kritisk trekk ved en stimulus - for eksempel når du skyver en finger over en glatt, klebrig overflate - eller at fingergeometrien spiller en kritisk rolle i samspillet mellom hud og stimulus - som i eksempelet med har belastning, beskrevet ovenfor - er nøyaktigheten kompromittert. Under de fleste omstendigheter vil modellen fange de essensielle elementene i nervens respons."

En annen begrensning kan være enda mer signifikant. De tok ikke hensyn til nettverket av svar i nærliggende nerver. Deres modell behandler et berørt område som et isotropisk "hotspot" der alle fibrene reagerer på samme måte, men nervefibre er kjent for å forgrene seg og påvirke nabofibre. Dette kan produsere komplekse interaksjoner mellom nevroner, som legger seg oppå den kodede taktile informasjonen hjernen mottar.

La oss dykke ett nivå dypere inn i detaljene for å vurdere hva som foregår på cellulært nivå. Et nevron innebygd i huden ser ikke noe. Det "føler" at den ytre huden deformerer litegrann, fordi den inneholder mekano-sensitive portaler i membranene. Disse portaler lar noen ioner slippe inn, og andre ut, som skaper et bølgetog av signaler i cellens lengde. Det er den elektriske "tråden" som forfatterne snakker om, men det skjer bare ikke uten at hver nevrale celle først er utstyrt med molekylære maskiner som kan reagere på trykk, og i stand til raskt å nullstille og re-forbrenne idet kilden endres. Idet signaler forplanter seg mot hjernen, må nevronene krysse synapsene som konverterer de elektriske signaler til kjemiske signaler og tilbake igjen, og bevare informasjonen og tidspunktet for signalene som vi så i tilfelle av 3-D-hørsel -her.

Bilde 4. Hvert fingeravtrykk er unikt

Igjen er den enkleste, vanlige handlingen med å berøre en fingertupp på en overflate, langt mer kompleks enn vi kunne forestille oss, og utfordrer forskere til å komme opp med forenklede modeller for å forstå det. Med dette i tankene, prøv et forsøk: Ta med pekefingeren på en rekke overflater rundt deg, en bordflate, en kledning, et brød, en væske, en arm på huden, en pust av luft fra leppene dine. Forsøk å skjelne ved hjelp av berøringsinformasjon hver gjenstands friksjon, temperatur, glatthet, form og hardhet. Tenk på alle de tusenvis av sensorer som gir informasjonen til hjernen med millisekund-presisjon! Tenk deg hva hjernen har å bestille med deg når du stuper hele kroppen i et kaldt basseng på en varm sommerdag.

Forfatterne sier ingenting om evolusjonen i deres artikkel. Design er så rikelig tydelig i menneskekroppen, som Steve Laufmann diskuterte i sin nylige ID Future podcast om Howard Glicksmans serie om fysiologi -her, kan våre beste ingeniører ikke engang forestille seg å tilnærme det nivået av funksjonell sammenheng, ytelse og integrasjon. Ikke engang i nærheten.

Tager: Braille; Ingeniørkunst; Evolusjon; Informasjon; Fysilogi.