Secretul din spatele simțului tactil al șobolanului? Totul în felul în care se îndoaie perii

Șoarecii, pisicile și multe alte mamifere îl au Păr de barbăDe obicei, simt mediul din jurul lor, cum ar fi simțul tactil. Dar oamenii de știință nu au identificat cu precizie mijloacele prin care filamentele comunică acel simț al atingerii creierului. Acum, o echipă multidisciplinară de la Universitatea Northwestern a venit cu un nou model pentru a ajuta la prezicerea modului în care filamentele șoarecilor activează diferite celule senzoriale pentru a face acest lucru, potrivit Hârtie nouă Publicat în PLOS Computational Biology. O astfel de lucrare ar putea într-o zi să permită oamenilor de știință să construiască filamente sintetice ca senzori haptici în roboți, precum și să arate mai multă lumină asupra atingerii umane.

„Simțul tactil este extrem de important pentru aproape tot ceea ce facem în lume, totuși este foarte dificil să studiem atingerea cu mâinile.” Co-autoarea Mitra Hartmann a spus, Un inginer biomedical la Centrul de Nord-Vest pentru Robotică și Sisteme Biologice. „Mustățile oferă un model simplificat pentru înțelegerea naturii complexe și misterioase a atingerii.”

De aceea există o istorie atât de lungă Studiază părul (Vibrații) La mamifere: șobolani, pisici, veverițe de copaci, lamantini, foci de port, vidre de mare, pisici polare, șopârle, varză de curmale, lei de mare și șobolani aluni goali, toți împărtășesc o anatomie de bază uimitor de similară, potrivit diverselor studii anterioare. Studiul actual se concentrează pe șoareci. Șobolani Are aproximativ 30 de peri mari Și zeci dintre cele mai mici, parte dintr-un „sistem de senzori de scanare a mișcării” complex care permite șobolanului să efectueze diverse sarcini, cum ar fi analiza țesuturilor și atingerea activă, pentru a găsi calea și a recunoaște tiparele și locația obiectului, doar prin scanarea terenului cu părul ei.

Din punct de vedere tehnic, filamentele sunt doar filamente, o colecție de celule moarte de keratină, foarte asemănătoare cu părul uman. e o Cu ce ​​se raportează Acest lucru îl face la fel de sensibil ca vârfurile unui deget uman. Fiecare băutor de șobolani este introdus într-un folicul care se conectează la un „butoi” de 4.000 de neuroni dens împachetați. Împreună, formează o rețea sau matrice care acționează ca o „hartă” topografică care spune creierului șobolanului exact ce lucruri sunt prezente și ce mișcări au loc în mediul lor imediat. La rândul lor, toate aceste butoaie sunt conectate între ele într-un fel de rețea neuronală, astfel încât șobolanul primește semnale multidimensionale despre mediul său.

Harta frecvenței

În 2003, Descoperă Hartmann și mai mulți colaboratori Mustățile de șobolani rezonează la anumite frecvențe. Este același principiu care se aplică corzilor unui harpă sau pian: filamentele mai lungi reverberează la frecvențe mai mici, în timp ce filamentele mai scurte reverberează la frecvențe mai înalte (corzile de pe multe instrumente muzicale obțin, de asemenea, tonuri diferite printr-o variație a grosimii). Șoarecii au mustăți mai scurte lângă nas, cu mustăți mai lungi în spate, ceea ce le permite să facă acest lucru Creați un fel de „hartă a frecvenței” Scufundându-și nasul peste tot. O singură mustață acționează ca un diapazon cu un singur vârf. Puneți-le pe toate împreună, iar mouse-ul poate simți dimensiunea, poziția, marginile obiectelor și chiar ușoare diferențe de textură, în raport cu corpul unui rozător mic. De exemplu, textura foarte netedă va crea vibrații mai puternice în frecvența mea longitudinală decât în ​​frecvența mea joasă.

Pe măsură ce trece peste teren, este un șobolan Scanează constant împrejurimile sale Cu părul său (numit „șuierat”), acesta mătură între 5 și 12 ori pe secundă. Când mustața lovește ceva, își îndoaie foliculii, iar acest lucru eliberează un impuls electric către creier care permite șoarecelui să determine direcția și intervalul de mișcare al fiecărui păr. Unii neuroni din cortexul șobolanilor pulsează la frecvențe foarte precise, iar aceste impulsuri sunt trimise continuu către talamus, care le compară cu semnalele longitudinale primite. Acesta este modul în care un animal formează o „imagine” a lumii din jurul său.

Hartmann și colegii ei au dorit să afle mai multe despre modul în care acest sistem complex de detectare răspunde la diferiți stimuli externi, în special în timpul pulsației active. Cu toate acestea, „nu este încă posibilă măsurarea experimentală a acestei reacții In vivoAșa că au scris autorii, au decis să creeze un model mecanic al compusului sinusal pentru a simula deformarea din interiorul foliculului.

„Partea din mustață care eliberează senzorii tactili este ascunsă în interiorul foliculului, deci este foarte dificil să o studiezi”, Spuse Hartman. „Nu puteți măsura acest proces experimental, deoarece dacă tăiați becul în felii, daunele vor schimba modul în care țineți mustața. Prin dezvoltarea de noi simulări, putem obține o perspectivă asupra proceselor biologice care nu pot fi măsurate direct experimental.”

„Pâlpâire activă”

Pentru a-și construi modelul, Hartmann Et al. Parțial bazat pe date de la Un 2015 În afara corpului viu un studiu De la capilarele murine, pentru a măsura deplasarea țesuturilor ca răspuns la deformarea capilară într-un rând de disecție situat într-o cutie Petri. În timp ce acest experiment anterior s-a concentrat doar pe o mică regiune a întregului complex folicular pilos, datele rezultate au oferit echipei din nord-vest un punct de plecare util.

Echipa a ajuns la ceva similar cu un model cu raze și arc de deplasare a capilarelor în complexul sinusal. Pereții capilari și ai foliculului acționează ca grinzi, cu distribuția țesutului în peretele foliculului reprezentând patru arcuri interne în locații diferite. Țesutul conjunctiv și mușchii situați chiar în afara foliculului acționează ca arcuri externe în porțiunea superioară și inferioară a foliculului, cu țesut facial îndepărtat și foliculi adiacenți acționând ca o bază solidă în model.

Hartman Et al. El a descoperit că mustățile șoarecilor sunt mai predispuse să se îndoaie într-o formă de „S” în interiorul foliculului atunci când ating ceva. Această curbură împinge sau trage celulele senzorilor, forțându-le să trimită semnale tactile către creier. Profilul de îndoire produce același lucru, indiferent dacă instrumentul periei vine în contact cu un obiect sau este atins extern. Atât contracția musculară intrinsecă, cât și creșterea tensiunii arteriale pot îmbunătăți sensibilitatea tactilă a sistemului.

Autorii recunosc că acesta este un model simplificat, concentrându-se pe devierea unui folicul la un moment dat, dar speră să simuleze în viitor devierea simultană a mai multor fire de păr. Chiar și modelul simplificat are implicații interesante pentru cercetările viitoare.

„Modelul nostru demonstrează coerența profilului de deformare a filamentului între atingerea pasivă și pâlpâirea activă”, Co-autorul Yifu Luo a spus, Un student absolvent la laboratorul Hartmann. Cu alte cuvinte, același grup de celule senzoriale va răspunde atunci când longitudinalul deviază în aceeași direcție în ambele cazuri. Acest rezultat indică faptul că unele tipuri de experimente pentru studierea pâlpâirii active pot fi efectuate la un animal anesteziat.

DOI: PLOS Computational Biology, 2021. 10.1371 / journal.pcbi.1007887 (Despre DOI).