Die Schnurrhaare der Ratte: Multidisziplinäre Forschung zeigt, wie wir Texturen wahrnehmen

Die Schnurrhaare der Ratte: Multidisziplinäre Forschung zeigt, wie wir Texturen wahrnehmen

Wie wir Texturen wahrnehmen, war lange Zeit ein Geheimnis. Es ist bekannt, dass Nerven, die mit der Haut der Fingerkuppen verbunden sind, dafür verantwortlich sind, verschiedene Oberflächenbereiche wahrzunehmen, aber wie sie dies tun, ist nicht gut verstanden. Nagetiere führen Texturen mit ihren Haaren durch. Wie menschliche Fingerkuppen erfüllen Haare zahlreiche Aufgaben, indem sie die Nähe sowie die Form von Gegenständen und das Erscheinungsbild von Oberflächen wahrnehmen.

Mathematiker des Department of Engineering Mathematics der University of Bristol haben sich mit Neurowissenschaftlern der Universität Tübingen in Deutschland zusammengetan, um zu verstehen, wie die Bewegung eines Haares über eine Oberfläche Texturinformationen direkt in neuronale Signale umwandelt, die vom Verstand gesehen werden können.

Durch die Durchführung hochpräziser Forschungslaboruntersuchungen an echtem Rattenhaar, die in Berechnungsversionen integriert waren, stellten die Wissenschaftler fest, dass Haare Antennen imitieren, die darauf abgestimmt sind, die kleinen Stick-Slip-Bewegungen zu erkennen, die durch das Reiben zwischen den Oberflächenbereichen verursacht werden, sowie den Vorschlag von das Haar.

„Eines der auffälligsten Dinge, die wir sowohl in den Experimenten als auch in der Theorie fanden, war die tausendfache Verstärkung winziger Kraftsignale, die von der Spitze des Schnurrhaars wahrgenommen werden, gegenüber denen, die von den Neuronen an der Schnurrhaarbasis empfangen werden. Plötzlich stellten wir fest, dass der Whisker wie ein Verstärker wirkt, der Stick-Slip-Ereignisse im Mikromaßstab aufnimmt und sie schnell in saubere Impulse umwandelt, die vom Gehirn aufgenommen und verarbeitet werden können“, sagte Professor Alan Champneys von der University of Bristol, co -Leiter des Modellierungsgeschäfts mit Associate Dr. Robert Szalai. Dr. Thibaut Putelat führte die eingehende mathematische Modellierung durch.

Die in der Zeitschrift veröffentlichte Forschungsarbeit zur Übertragung von Textursignalen entlang eines Rattenhaars Wissenschaftliche Berichte von der Autorin Nature, zeigt, dass die Verjüngung des Haares dazu führt, dass sich kleine hochfrequente Bewegungen bis hin zu erheblichen pulsartigen Veränderungen intensivieren, die ebenso wirksam sind wie die Bewegung am Haarfollikel. Das afferente Neuron im Haarfollikel spürt diese Veränderungen und überträgt sie auf den Geist.

„Es ist fast so, als ob die Morphologie des Whiskers darauf ausgelegt wäre, diese reibungsinduzierten Signale als „Air Conditioner“-Wellen zusätzlich zu der „DC“-Bewegung des Whiskers zu übertragen, die die Informationen über Oberflächennähe und Härte vermittelt.

„Diese Air Conditioner-Wellen sind auch vom menschlichen Auge sowohl klein als auch schnell zu sehen. Indem wir dieses Problem jedoch in einem multidisziplinären Stil angehen, hatten wir zum ersten Mal tatsächlich die Möglichkeit, diese Wellen mit Klarheit aufzudecken“, sagte Professor Champneys.

„Die Suche nach hat auch Auswirkungen auf die menschliche Berührung, bei der die Morphologie der Fingerabdruckgrate viel komplizierter ist, kann aber auch Klimaanlagen- und Gleichstromsignale vergleichen, während unser Verstand versucht, zahlreiche Informationsströme darüber zu entwirren, was wir wirklich fühlen “, sagte Dr. Maysam Oladazimi, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte.

Die Ergebnisse könnten weitreichende Vorteile haben, einschließlich der Gestaltung von Texturen, um Sehbehinderten optimale Hinweise zu geben, für den menschlichen Sicherheitsbetrieb in Umgebungen mit schwachem Licht oder für immersive künstlerische Installationen.

„Diese Forschung eröffnet eine Reihe von Möglichkeiten für die zukünftige Arbeit. Als Neurowissenschaftler haben wir ein Interesse daran, ein viel tieferes Verständnis der neuronalen Signalwege bei der Texturunterscheidung zu schaffen, während unsere Mitarbeiter in Bristol eifrig daran interessiert sind, Effekte für den Stil zukünftiger Roboter-Erkennungssysteme zu untersuchen“, sagte Professor Cornelius Schwarz, der die Experimente an der Universität Tübingen leitete.

Professor Champneys sagte, die Forschung sei von besonderem Wert für die Haptik im Bereich der Robotik, bei der Roboter ihre Umgebung buchstäblich spüren, und stehe im Mittelpunkt vieler aktueller Forschungen, insbesondere für Roboter, die im Dunkeln autonom agieren müssen, beispielsweise bei der Suche und Rettungseinsätze. Professor Nathan Lepora und Kollegen vom Bristol Robotics Laboratory sind Pioniere auf diesem Gebiet.

„Diese globale interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Experimentatoren und mathematischen Modellierern war interessant. Das ergibt sich sowohl aus den Computersystemversionen als auch aus den Forschungslaborexperimenten, die zusammen gingen – nur mit einer Mischung aus beidem hatten wir die Möglichkeit, unsere Entwicklung durchzuführen“, sagte Professor Champneys.