Создан искусственный рецептор с чувствительностью к боли
Исследователи из Северо-Восточного педагогического университета Китая представили искусственный болевой рецептор, который не просто реагирует на воздействие, но способен различать силу боли и восстанавливаться после повреждений. Работа опубликована в журнале Advanced Functional Materials и может стать важным шагом в развитии нейропротезирования и интерфейсов «человек–машина».
В организме за восприятие боли отвечают ноцицепторы — специализированные нервные окончания, разбросанные по всему телу. Они реагируют на опасные механические, температурные или химические воздействия и передают сигналы в мозг, помогая избежать травм. Воссоздать такой механизм искусственно — давняя цель нейроинженеров, но до сих пор решения были либо слишком грубыми, либо чрезмерно сложными.
В основе новой разработки лежит мемристор — миниатюрный электронный компонент, который умеет «помнить» историю прохождения тока. В отличие от обычных электронных элементов, мемристор изменяет свою проводимость в зависимости от предыдущих воздействий, что делает его особенно похожим на синапсы нервной системы.
Ключевым эффектом стала квантованная проводимость. Это означает, что ток в устройстве меняется не плавно, а ступенчато. Благодаря этому искусственный рецептор перестал быть простым переключателем «есть боль — нет боли» и начал различать четыре уровня воздействия: отсутствие боли, слабую, умеренную и сильную — аналогично тому, как это делает человек.
Ученые собрали систему из двух типов желатиновых пленок. Более плотный гель использовался как датчик давления, а менее концентрированный — в мемристорной части. Соединив их последовательно, исследователи получили гибкий «искусственный нерв», реагирующий на механическое воздействие.
Испытания показали, что система уверенно различает давление в диапазоне от 9 до 45 килопаскалей, сопоставляя его с разной интенсивностью боли, которую испытывает человек. При этом рецептор не «привыкает» к повторяющимся стимулам, в отличие от многих биологических ноцицепторов.
Одной из ключевых особенностей устройства стала способность к восстановлению. В ходе экспериментов в гелевых сенсорах делали микроскопические надрезы шириной до 50 микрометров. После нагревания до 60 °C в течение 20 минут повреждения исчезали, а электрические характеристики возвращались к исходному уровню.
Это свойство особенно важно для протезов и гибкой электроники, которые в реальных условиях неизбежно подвергаются износу.
Чтобы убедиться в биологической совместимости системы, исследователи подключили искусственный датчик боли к седалищному нерву анестезированной мыши. При нажатии на сенсор он генерировал электрические сигналы, вызывавшие сокращение мышц — реакцию, аналогичную естественному рефлексу избегания.
По мнению авторов работы, такие биоэлектронные системы могут радикально изменить подход к созданию протезов, реабилитационных устройств и робототехники. Возможность различать силу воздействия и восстанавливаться после повреждений делает искусственные ноцицепторы гораздо ближе к живым тканям, чем все предыдущие аналоги.