Emulating the influence of exoskeleton stiffness on primary afferent feedback in rat isolated muscle-tendon unit

कल्पना कीजिए कि आपका शरीर एक हाई-टेक रोबोट है, लेकिन तारों और कोड के बजाय, यह मांसपेशियों और नसों पर चलता है। आपकी मांसपेशियों के गहरे भीतर, "मसल स्पिंडल्स" (muscle spindles) नामक सूक्ष्म, अति-संवेदनशील सेंसर होते हैं। इन्हें अपने रोबोट के आंतरिक जीपीएस (GPS) और स्पीडोमीटर के संयोजन के रूप में समझें। वे लगातार आपके मस्तिष्क को फुसफुसाते रहते हैं, "अरे, हम खिंच रहे हैं!" या "हम सख्त हो रहे हैं!" ताकि आपको बिना देखे पता चल सके कि आपके अंग कहाँ हैं। इसे प्रोप्रियोसेप्शन (proprioception) कहा जाता है, और यही कारण है कि आप आँखें बंद करके अपनी नाक छू सकते हैं या बिना गिरे ऊबड़-खाबड़ जमीन पर चल सकते हैं।

अब, कल्पना कीजिए कि आपने अपने पैर पर एक भारी, उछलने वाला स्प्रिंग लगा लिया है—एक पहनने योग्य एक्सोस्केलेटन (exoskeleton) जिसे चलने या भारी चीजें उठाने में मदद करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हालाँकि ये हाई-टेक सूट लोगों को चलने या भारी चीजें उठाने में मदद करने के लिए अद्भुत हैं, लेकिन वैज्ञानिकों के मन में एक बड़ा सवाल है: क्या यह अतिरिक्त उछलने वाला यंत्र आपके आंतरिक जीपीएस के साथ छेड़छाड़ कर सकता है? यदि एक्सोस्केलेटन कुछ काम खुद कर लेता है, तो क्या आपका मस्तिष्क आपकी मांसपेशियों से मिलने वाले सही संकेतों को प्राप्त करना बंद कर देता है? यह पूछने जैसा है, "यदि मैं कार में क्रूज कंट्रोल लगा दूँ, तो क्या ड्राइवर अभी भी सड़क को महसूस कर पाता है?" यह समझना महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि ये पहनने योग्य उपकरण आपके शरीर के प्राकृतिक सेंसरों को भ्रमित करते हैं, तो वे अजीबोगरीब हलचल पैदा कर सकते हैं या आपको कम स्थिर भी बना सकते हैं, चाहे वे आपको कितना भी शक्तिशाली क्यों न महसूस कराएं।

यह शोध पत्र इस रहस्य को सुलझाने के लिए एक चतुर, व्यावहारिक दृष्टिकोण अपनाता है, लेकिन मनुष्यों का परीक्षण करने के बजाय (क्योंकि उनके तंत्रिका संकेतों को सुनना कठिन है), शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला सेटिंग में एक चूहे के पैर का उपयोग किया। उन्होंने एक लघु प्रयोग तैयार किया जहाँ उन्होंने चूहे की मांसपेशी-कंडरा इकाई (muscle-tendon unit) से इंजीनियर किए गए स्प्रिंग्स जोड़े, जो ठीक वैसे ही काम करते थे जैसे मानव पैर पर एक निष्क्रिय लोचदार (passive elastic) एक्सोस्केलेटन करता है। निष्पक्षता बनाए रखने के लिए, उन्होंने चूहे की मांसपेशी सक्रियता को इस तरह समायोजित किया कि सिस्टम की कुल कठोरता (stiffness) समान बनी रहे, भले ही उन्होंने यह बदला हो कि स्प्रिंग कितनी मदद कर रहा है। उन्होंने सब कुछ मापा: मांसपेशी फाइबर कितने लंबे हुए, उन्होंने कितनी ताकत से धक्का दिया, और तंत्रिका संकेत (सेंसरों की "फुसफुसाहट") कितनी तेजी से फायर हो रहे थे।

परिणाम थोड़े आश्चर्यजनक थे। जब उन्होंने स्प्रिंग्स जोड़े (0 से 0.5 N/mm तक) और मांसपेशी के अपने प्रयास को कम किया, तो मांसपेशी ने अपना आकार बदल लिया। इसने कम बल के साथ धक्का दिया, जो लगभग 3.1 N से गिरकर 1.6 N हो गया, और यह कम सख्त हो गई, जो 4.4 N/mm से गिरकर 2.3 N/mm हो गई। मांसपेशी फाइबर भी थोड़े लंबे खिंच गए, जो 7.9 mm से 8.3 mm हो गए। आप सोच सकते हैं, "ठीक है, मांसपेशी अलग है, तो सेंसर निश्चित रूप से एक अलग संदेश दे रहे होंगे!" लेकिन यहाँ एक मोड़ है: तंत्रिका संकेतों ने अपना सुर नहीं बदला। भले ही मांसपेशी कम काम कर रही थी और स्प्रिंग अधिक काम कर रहा था, सेंसरों की फायरिंग दर समान रही।

शोधकर्ताओं ने पाया कि सेंसर संकेत मांसपेशी फाइबर की विशिष्ट गतिविधियों और बलों से मजबूती से जुड़े हुए थे, लेकिन मांसपेशी और स्प्रिंग के बीच का "तालमेल" (trade-off) खुद को रद्द करने जैसा था। यह ऐसा है जैसे मांसपेशी ने स्प्रिंग के अतिरिक्त खिंचाव को संतुलित करने के लिए खुद को ठीक उतना ही ढीला छोड़ दिया, जिससे मस्तिष्क को जाने वाला आंतरिक संदेश पूरी तरह से स्थिर बना रहा। इसलिए, जबकि यांत्रिक सेटअप बदल गया था, मांसपेशी सेंसरों से आने वाला प्राथमिक संदेश अप्रभावित रहा। यह सुझाव देता है कि एक निष्क्रिय लोचदार एक्सोस्केलेटन जोड़ने से आपके शरीर के आंतरिक सेंसर उतने भ्रमित नहीं होंगे जितना कि हमें डर था, क्योंकि मांसपेशी और स्प्रिंग एक-दूसरे को संतुलित करते हैं। इस विस्तृत, इन-लैब सेटअप का उपयोग करके, वैज्ञानिक अब यह देख सकते हैं कि पहनने योग्य उपकरण हमारे छिपे हुए संवेदी तंत्रों को कैसे प्रभावित कर सकते हैं, बिना मानव स्वयंसेवकों पर निर्भर हुए जो सीधे तौर पर अपनी नसों को हमें सुनने की अनुमति नहीं दे सकते।