april 15, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Hemmeligheten bak en rottes berøringssans?  Alt avhenger av hvordan kinnskjeggene er bøyd

Hemmeligheten bak en rottes berøringssans? Alt avhenger av hvordan kinnskjeggene er bøyd

Forstørre / Forskere ved Northwestern University har utviklet den første mekaniske simuleringen av en rottehår i follikelen, for bedre å forstå hvordan den sensoriske informasjonen kommuniseres til hjernen.

Rotter, katter og mange andre pattedyr har kinnskjegg, som de ofte bruker for å føle miljøet rundt seg, i likhet med berøringssansen. Men forskere har ennå ikke funnet ut hvordan whiskers kommuniserer den følelsen av berøring til hjernen. Nå har et tverrfaglig team ved Northwestern University utviklet en ny modell for å forutsi hvordan en rottehår aktiverer forskjellige sensoriske celler for å gjøre nettopp det, ifølge en ny rolle publisert i tidsskriftet PLOS Computational Biology. Slikt arbeid kan en dag tillate forskere å bygge kunstige kinnskjegg som berøringssensorer i robotikk, samt kaste mer lys på menneskelig berøring.

“Berøringsfølelsen er utrolig viktig for nesten alt vi gjør i verden, men det er veldig vanskelig å studere berøring med hendene.” sa medforfatter Mitra Hartmann, en biomedisinsk ingeniør ved Northwestern’s Center for Robotics and Biosystems. “Whiskers gir en forenklet modell for å forstå den komplekse og mystiske berøringsevnen.”

Det er derfor det er en så lang historie med studerer kinnskjegg (vibrissae) hos pattedyr: Rotter, katter, treekorn, sjøfugler, sel, havter, polkatter, spissmus, Tammar wallabies, sjøløver og nakne føflekkrotter deler påfallende like grunnleggende kinneanatomier, ifølge flere tidligere studier. Den nåværende studien fokuserte på rotter. Rotter har omtrent 30 store bart og dusinvis av mindre, en del av et komplekst “sensorimotorisk skanningssystem” som gjør det mulig for rotter å utføre oppgaver så forskjellige som teksturanalyse, aktiv berøring for å finne veier, mønstergjenkjenning og objektplassering, ganske enkelt ved å skanne terrenget med kinnskjeggene.

READ  El acuerdo entre la NASA y Canadá demuestra cómo Artemis es un moonshot internacional

Teknisk sett er kinnskjegg bare hår, en samling døde keratinceller, omtrent som menneskehår. Er hva er de knyttet til som gjør dem like følsomme som menneskelige fingertupper. Hver rottehår er satt inn i en follikkel som forbinder den med en “tønne” som består av opptil 4000 tettpakkete neuroner. Sammen danner de et rutenett eller matrise som fungerer som et topografisk “kart”, som forteller rottehjernen nøyaktig hvilke objekter som er tilstede og hvilke bevegelser som foregår i dens nærmeste miljø. Alle disse fatene er i sin tur koblet sammen i et slags nevralt nettverk, der rotten mottar flerdimensjonale signaler om omgivelsene.

Frekvens kart

I 2003, Hartmann og flere samarbeidspartnere oppdaget at en rotts kinnskjegg resonerer ved visse frekvenser. Dette er det samme prinsippet som gjelder strengene til en harpe eller piano: lengre kinnskjegg resonerer ved lavere frekvenser, mens kortere kinnskjegg resonerer ved høyere frekvenser (strengene til mange musikkinstrumenter når også forskjellige tonehøyder som varierer i tykkelsen). Rotter har kortere kinnskjegg nær nesen og lengre kinnskjegg lenger bak, slik at de kan lage et slags “frekvenskart” stikker nesa overalt. En enkelt bart fungerer som en enkel tanngaffel. Sett dem alle sammen, og en rotte kan føle størrelsen, posisjonen, kantene på gjenstander, til og med små variasjoner i tekstur, i forhold til den lille gnagerkroppen. For eksempel vil en veldig fin tekstur generere en sterkere vibrasjon i en høyfrekvent kinnskjegg enn i en lavfrekvent kinnskjegg.

Når det beveger seg over terrenget, er det en rotte kontinuerlig skanning av omgivelsene med kinnskjeggene (kalt “pisking”), som feier tilbake mellom fem og 12 ganger i sekundet. Når en kinnet treffer en gjenstand, bøyes den i follikkelen, og dette utløser en elektrisk impuls i hjernen som lar rotten bestemme retningen og avstanden hver kinnskjegg beveger seg. Visse nevroner i rottenes cortexpuls ved veldig presise frekvenser, og disse pulser sendes kontinuerlig til thalamus, som sammenligner dem med innkommende signaler fra kinnskjegg. Slik danner dyret et “bilde” av verden rundt det.

READ  Hvordan se meteorregn fra Cuadrantida 2021 lyse opp himmelen denne helgen
Mekanikk er nøkkelen til en berøringsbar følelse.  Når en bart avbøyes, bestemmer dens deformasjonsprofil i follikkelen aktiviteten til forskjellige grupper av mekaniske reseptorer.
Forstørre / Mekanikk er nøkkelen til en berøringsbar følelse. Når en bart avbøyes, bestemmer dens deformasjonsprofil i follikkelen aktiviteten til forskjellige grupper av mekaniske reseptorer.

Northwestern University / Nadina Doubt

Hartmann og hans kolleger ønsket å lære mer om hvordan dette komplekse sensingsystemet reagerer på forskjellige eksterne stimuli, spesielt under aktiv risting. Imidlertid er “det ennå ikke mulig å eksperimentelt måle denne interaksjonen Bo“forfatterne skrev. Så de bestemte seg for å lage en mekanisk modell av follikkelens sinuskompleks for å simulere deformasjon i en follikkel.

“Den delen av kinnskjegget som aktiverer berøringssensorene er skjult inne i follikkelen, så det er utrolig vanskelig å studere.” Sa Hartmann. “Du kan ikke måle denne prosessen eksperimentelt, for hvis follikelen blir kuttet, vil skaden endre måten bart holdes på. Ved å utvikle nye simuleringer kan vi få informasjon om biologiske prosesser som ikke kan måles direkte eksperimentelt.”

“Aktiv risting”

Å bygge sin modell, Hartmann et al. var delvis basert på data fra til 2015 ex vivo studere av rottehårskjegg, måling av vevsforskyvning som svar på kinnebøyning i en dissekert rad plassert i en petriskål. Mens dette tidligere eksperimentet bare fokuserte på en liten region av hele whisker follicle sinus complex, ga de resulterende dataene Nordvest-teamet et nyttig utgangspunkt.

Teamet endte opp med noe som en bjelke og fjærmodell for forskyvning av kinnskjegg i follikkens sinuskompleks. Barten og follikkelveggene fungerer som bjelker, og vevsfordelingen i follikkelveggen representerer fire indre fjærer på forskjellige steder. Bindevev og muskler like utenfor follikkelen fungerer som to ytre fjærer på toppen og bunnen av follikkelen, med fjernt ansiktsvev og tilstøtende follikler som tjener som den stive basen i modellen.

READ  NASA advarer mot STADIUM SIZE asteroide på vei mot jorden - RT World News

Hartmann et al. fant at rottenes kinnskjegg er mer sannsynlig å bøye seg inn i en “S” -form i follikkelen når de berører et objekt. Denne bøyingen skyver eller trekker deretter på sensorcellene, og aktiverer dem for å sende berøringssignaler til hjernen. Den samme bøyeprofilen oppnås uavhengig av om kinnskjeggen gnir seg mot en gjenstand eller blir berørt utvendig. Og både egen muskelsammentrekning og økt blodtrykk kan forbedre taktil følsomhet i systemet.

Forfatterne innrømmer at dette er en forenklet modell, med fokus på avviket til en follikkel om gangen, men de håper å simulere samtidig avvik fra flere kinnskjegg i fremtiden. Selv den forenklede modellen har interessante implikasjoner for fremtidig forskning.

“Vår modell viser konsistensen i kinnskjeggens deformasjonsprofil mellom passiv berøring og aktiv risting.” sa medforfatter Yifu Luo, en kandidatstudent i Hartmanns laboratorium. “Med andre ord vil den samme gruppen av sensoriske celler svare når kinnskjeggen avviker i samme retning under begge forhold. Dette resultatet antyder at noen typer eksperimenter for å studere aktiv juling kan utføres i et bedøvet dyr.”

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