Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

Как мы ощущаем текстуру, долгое время оставалось загадкой. Известно, что нервы, прикрепленные к коже кончиков пальцев, отвечают за восприятие различных поверхностей, но не совсем понятно, как они это делают. Грызуны определяют текстуру своих усов. Как и кончики пальцев человека, усы выполняют несколько задач, определяя близость и форму объектов, а также текстуры поверхности.

Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

Математики из отдела инженерной математики Бристольского университета работали с нейробиологами из Тюбингенского университета в Германии, чтобы понять, как движение уса по поверхности преобразует текстурную информацию в нейронные сигналы, которые могут восприниматься мозгом.

Проведя высокоточные лабораторные тесты на реальном усе крысы в сочетании с вычислительными моделями, исследователи обнаружили, что усы действуют как антенны, настроенные так, чтобы ощущать крошечные скачкообразные движения, вызванные трением между поверхностью и кончиком уса.

Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

«Одна из самых поразительных вещей, которые мы обнаружили как в экспериментах, так и в теории, заключалась в тысячекратном усилении крошечных сигналов силы, воспринимаемых кончиком усов, по сравнению с сигналами, принимаемыми нейронами в основании усов, действует как усилитель, принимая микромасштабные события скачкообразного движения и быстро превращая их в чистые импульсы, которые может улавливать и обрабатывать мозг», – сказал профессор Алан Чампни из Бристольского университета, соруководитель отдела моделирования с коллегой доктором Робертом Салаи. Доктор Тибо Путела провел подробное численное моделирование.

Исследование «Передача текстурных сигналов вдоль усов крысы», опубликованное в журнале Scientific Reports от издателя Nature, показывает, что сужение усов приводит к усилению крошечных высокочастотных движений до заметных импульсных изменений сил и движений на поверхности фолликул усов. В свою очередь, нервные клетки фолликула воспринимают эти изменения и передают их в мозг.

Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

Это похоже на то, как если бы морфология усов была разработана так, чтобы передавать эти вызванные трением сигналы в виде волн переменного тока поверх движения «постоянного тока», которое передает информацию о близости и твердости поверхности.

«Эти волны переменного тока слишком малы и слишком быстры, чтобы их мог заметить человеческий глаз. Однако, подходя к этой проблеме в междисциплинарной манере, мы впервые смогли четко выявить эти волны», – сказал профессор Чампни.

Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

«Полученные данные имеют значение и для человеческого прикосновения, где морфология гребней отпечатков пальцев более сложна, но они могут аналогичным образом различать сигналы переменного и постоянного тока, поскольку наш мозг пытается распутать несколько информационных потоков о том, что мы чувствуем», – сказал доктор Майсам. Оладазими, который проводил эксперименты в рамках своей докторской диссертации.

Полученные результаты могут иметь далеко идущие преимущества, включая то, как текстуры могут быть разработаны для обеспечения оптимальных сигналов для слабовидящих, для обеспечения безопасности человека при работе в условиях низкой освещенности или для иммерсивных художественных инсталляций.

Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

«Это исследование открывает несколько направлений для будущей работы. Как нейробиологи, мы заинтересованы в более детальном понимании нейронных сигнальных путей при распознавании текстуры, в то время как наши коллеги из Бристоля стремятся изучить последствия для разработки будущих роботизированных сенсорных систем», – сказал он. – говорит профессор Корнелиус Шварц, руководивший экспериментами в Тюбингенском университете.

Профессор Чампни сказал, что это исследование имеет особое значение для тактильного восприятия в области робототехники, где роботы буквально чувствуют окружающую среду, и является предметом многих текущих исследований, особенно для роботов, которым необходимо действовать автономно в темноте, например, в поиске. и спасательные операции. Профессор Натан Лепора и его коллеги из Бристольской лаборатории робототехники являются пионерами в этой области.

Усы крысы помогают в исследованиях того, как мы ощущаем текстуру

«Это транснациональное междисциплинарное сотрудничество между экспериментаторами и разработчиками математических моделей было захватывающим. Результаты компьютерных моделей и лабораторных экспериментов шли рука об руку – только благодаря их комбинации мы смогли сделать наш прорыв», – сказал профессор Чампни.

Майсам Оладазими, Тибо Путелат, Роберт Салаи, Кентаро Нода, Исао Симояма, Алан Чампни, Корнелиус Шварц. Передача текстурных сигналов по усу крысы. Научные отчеты, 2021 г.; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41598-021-92770-3