30 января 2009, 12:48 Наука Размер текста А А А

Отпечатки пальцев – чтобы щупать

Узоры линий на пальцах работают, как фильтр высокой частоты

Артём Тунцов Тонкие бороздки отпечатков пальцев нужны не только для того, чтобы крепче держаться за ручку в трамвае. Если бы не они, мы были бы в 100 раз менее чувствительны к шероховатостям поверхности. Как показали четыре французских физика с помощью «искусственного пальца», папиллярные линии работают, как своеобразный фильтр высокой частоты.

Узоры папиллярных линий, которые обычно называют отпечатками пальцев, – черта, присущая очень немногим животным. Наличие индивидуальных отпечатков достоверно установлено у коал и одного из американских видов куниц, однако чаще всего они встречаются лишь у представителей одного отряда – приматов, в том числе и самого совершенного из них.

Папиллярные линии (от латинского papilla – сосок) – рельефные линии на ладонных и подошвенных поверхностях (включая пальцы) у людей, обезьян и некоторых других млекопитающих.

Кожа человека состоит из двух слоёв – эпидермиса и собственно кожи (дермы). Кроме того, в ней находятся окончания нервов, потовые железы и сальные железы.

Поверхностный слой или эпидермис, состоит из пяти слоёв, верхний из которых состоит из ороговевших чешуек, способных отслаиваться, а нижний являющийся образующим слоем, дающим эпидермису возможность восстанавливаться, пока сам нижний слой не повреждён.

Глубокий слой кожи, называемый дермой, состоит из соединительной ткани, эластичной ткани, гладких мускульных волокон и жировой ткани. Кроме того, в ней находятся сосочки, делающие её поверхность узорчатой. Сосочки эти достигают наибольших размеров именно на ладонях и подошвах, и приобретают сложное строение, имея иногда от 2 до 5 вершин при одном основании.

В этих местах сосочки расположены рядами. Они образуют возвышающиеся в виде гребней линии кожи, разделённые друг от друга бороздками и достигающие ширины от 2 до 5 десятых миллиметра. На вершине каждого такого гребня кожи находятся два ряда сосочков, между которыми расположены отверстия потовых канальцев. Эпидермис, покрывающий сосочки, несколько приподнят ими и таким образом участвует в образовании кожных гребней (папиллярных линий).

Под влиянием раздражения самые поверхностные слои эпидермиса отслаиваются и снимаются, а его внутренние слои остаются в соединении с дермой. Таким образом, сосочки защищены от поверхностных травм кожи, и эти травмы не вызывают изменений в узорах кожи. Если повреждение кожи более глубоко, оно вызывает разрушение более или менее обширной части узора папиллярных линий; тогда неизбежно появляется рубец, в котором место исчезнувших сосочков занято новообразовавшейся фиброзной тканью.

У человека папиллярные гребни давно исследованы. Они образуются рядами специальных «сосочков», находящихся в глубине кожи, под слоем эпидермиса. Характерное расстояние между линиями узора составляет от нескольких десятых долей до примерно половины миллиметра, характерная глубина рельефа – 50–80 микрон. Узор этих гребней формируется ещё в утробе матери, на 3–4 месяцах её беременности, и даже у однояйцевых близнецов отпечатки пальцев в целом похожи, но в деталях совершенно не совпадают.

Однако на вопрос, зачем природе понадобились эти замысловатые узоры, окончательного ответа нет до сих пор.

Существуют две основных версии, которые совсем не исключают ни друг друга, ни какого-то третьего назначения. Во-первых, мелкая текстура на коже пальцев и ладоней повышает сцепление с естественными поверхностями, которые сплошь хоть немного шероховаты; при отсутствии ярко выраженных когтей такое приобретение, как кожные гребни, кажется очень полезным.

Во-вторых, наличие узора может повышать чувствительность к упомянутой шероховатости поверхностей, определяемой на ощупь. Человеческие руки лишены не только когтей, но и волосяного покрова на ладонях и кончиках пальцев. Но именно нервные окончания, овивающие подкожную часть волосков, обеспечивают основную чувствительность кожи к движениям и вибрациям.

Давление же чувствуют специальные глубинные рецепторы – так называемые мейсснеровы и пачиниевы (фатер-пачиниевы) тельца. Первые расположены сразу под эпидермисом, в тех самых «сосочках», ряды которых образуют гребни на поверхности пальцев, вторые – глубоко в дерме, на глубине примерно 2 миллиметра под наружной поверхностью кожи.

По мнению многих учёных, роль рельефа на поверхности наших пальцев – «подпрыгивать» при скольжении пальцев по обследуемой поверхности, превращая её неровности в акустические колебания в коже, которые способны регистрировать рецепторы давления.

Пачиниевы и мейсснеровы тельца являются детекторами давления (и, соответственно, акустических колебаний) и расположены в дерме кожи.

Пачиниевы (фатер-пачиниевы) тельца достаточно велики для того, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. Это луковицеподобная структура, расположенная в дерме, обычно вокруг сухожилий или связок, имеет размер в 0,5 х 1,0 мм. С ней связано одно из самых больших центростремительных нервных волокон организма, имеющее диаметр от 8 до 13 микрон и проводимость от 50 до 80 м/c.

Основным компонентом тельца является внешний сердечник, сформированный из клеток, заполненных жидкостью. Внешний сердечник сам окружен оболочкой, которая пронизана центральным каналом и сетью капилляров. Через канал проходит единственное миелиновое нервное волокно диаметром от 7 до 11 микрон, которое затем становится длинным, немиелиновым нервным окончанием, проникающим глубоко в центр тельца. Нейрит нервного окончания имеет эллиптическую форму и снабжен ветвеобразными отростками.

Пачиниевы тельца является быстро адаптирующимся рецептором. Подвергаясь воздействию постоянного давления, она производит импульсы только при начале и окончании стимуляции. Она реагирует на высокочастотные колебания (от 80 до 400 Гц) и наиболее чувствительна к колебаниям с частотой примерно 250 Гц. Часто эти рецепторы реагируют на колебания, передаваемые по костям и сухожилиям, и вследствие своей чрезвычайной чувствительности, они могут быть активированы, стоит вам всего лишь подуть на ладонь.

В дополнение к пачиниевым тельцам в безволосом кожном покрове имеется другой быстро адаптирующийся рецептор. Большинство исследователей полагает, что это мейсснеровы тельца, расположенные в сосочках кожного покрова. Чувствительный к низкочастотным колебаниям от 2 до 40 Гц, этот рецептор состоит из ответвлений нервных окончаний среднего размера миелинового нервного волокна, окруженного одним либо несколькими слоями клеток, которые похожи на измененные клетки Шванна и называются ламинарными клетками. Нейриты и ламинарные клетки рецептора могут быть связаны с базальной клеткой в эпидермисе.

Мейсснеровы тельца выборочно инактивируются при помощи инъекции местного обезболивающего через кожу, ощущение трепета или низкочастотной вибрации при этом теряется. Это говорит о том, что мейсснеровы тельца функционально дополняет высокую частотную способность пачиниевых телец. Вместе эти два рецептора обеспечивают возникновение и передачу нервных импульсов, достаточных для того, чтобы обеспечивать человеку чувствительность к вибрации всех диапазонов.

Какой именно рецептор «завязан» на определение текстуры поверхности с помощью папиллярных линий, догадаться несложно. Физиологические эксперименты показали, мейсснеровы тельца чувствительны к низкочастотным колебаниям – в диапазоне от 2 до примерно 40 Гц. Высокочастотные колебания с частотой от примерно 80 Гц до 400 Гц – вотчина пачиниевых телец, максимум чувствительности которых приходится примерно на 250 Гц. При расстоянии между гребнями в 0,5 мм и типичной скоростью скольжения кончиков пальцев при прощупывании поверхности в 10–15 см в секунду характерная частота получается в районе 200–300 Гц. Так что, несмотря на прямую связь папиллярных линий с мейсснеровыми тельцами, за детектирование колебаний должны быть ответственны более глубокие пачиниевы тельца.

Однако все эти рассуждения о пальцах «на пальцах» – ещё не наука; по крайней мере, не биологическая. Да и не особо физическая: точно рассчитать, какие колебания возбуждают реальные шершавые поверхности при взаимодействии с папиллярными линиями, как они распространяются в коже и во что превращаются на глубине в 2 миллиметра, когда добираются до детектора, – задача очень сложная.

Четверо французских физиков из 6-го и 7-го университетов Парижа под руководством Жоржа Дебрежаса решили вместо сложных расчётов положиться на эксперимент. Их работа принята к публикации в Science.

close 100%

Схема экспериментальной установки. Микродатчик силы (1) установлен на жёсткой подложке (2) и покрыт эластичным материалом в форме сферического сегмента (3), выпуклая поверхность которого либо покрывалась узором из тонких параллельных гребней, либо оставалась гладкой; высота шарового сегмента h=2 мм. Получившийся тактильный сенсор помещён на подвижную в двух измерениях консоль (4,5), позволяющую измерять нагрузку на сенсор с помощью двух ёмкостных датчиков положения (6,7). В большинстве экспериментов консоль с тактильным сенсором перемещалась с постоянной скоростью v в горизонтальном направлении чувствительности датчиков, будучи прижатой с постоянным давлением к стеклянной пластине (8), на поверхности которой был нанесён узор из параллельных прямоугольных бороздок (9) разной ширины. // Science/AAAS

Технические подробности Параметры бороздок шероховатой поверхности: средняя ширина – 75 микрон, одномерный спектр мощности – белый шум, ограниченный по частотному диапазону.

Скорость протяжки: 0,2 – 0,4 мм/c. Ощупывать стекло со скоростью реальных пальцев установке не позволяла, однако как показал эксперимент, если пересчитать колебания из шкалы частот в шкалу расстояний, то отклик системы от неё практически не зависит. И хотя экспериментальная скорость была на порядок ниже той, что использует человек, принципиально это ничего не меняет: в обоих случаях мы имеем дело с распространением колебаний в так называемой ближней зоне – расстояние от источника до приёмника меньше характерной длины волны колебаний.

Поскольку работать с живыми человеческими пальцами сложно, учёные создали «искусственный палец». Вместо пачиниевых тел они использовали микродатчик силы, слой кожи заменял двухмиллиметровый сегмент упругого материала, механические свойства которого были подобраны так, чтобы он максимально походил на дерму. Всё это было тщательно закреплено на специальном устройстве, которое позволяло измерять силу, с которой «палец» давит на шероховатую поверхность, пока его протаскивают вдоль неё с постоянной скоростью.

Дальше учёные провели две серии экспериментов. В первом случае поверхность «искусственного пальца» была гладкой, во втором её покрыли рядом симпатичных параллельных бороздок, в масштабе 1:2 изображающих собой папиллярные линии человеческого пальца. В качестве «исследуемой поверхности» выступала стеклянная пластинка, на которую были нанесены бороздки самой разной ширины – в том диапазоне неровностей, с которым приходится встречаться людям.

И доказали, что по мощности колебаний в нужном частотном диапазоне ребристая поверхность на два порядка превосходит гладкую.

А амплитуда этих колебаний, соответственно, примерно на порядок выше.

Иными словами, папиллярные линии на кончиках наших пальцев – это своего рода фильтры высокой частоты, настроенные на диапазон чувствительности пачиниевых рецепторов. При низких частотах и гладкая, и ребристая поверхность ведут себя одинаково.

Дебрежас и его коллеги также удостоверились, что действие этого «фильтра» ослабевает при рассогласовании взаимной ориентации полосок на «искусственном пальце» и на шероховатой поверхности. Поскольку в реальности мы имеем дело не с полосками, а с текстурами самых разнообразных форм, становится понятным, зачем папиллярные линии на наших пальцах завиты в такие разнообразные узоры.