De snorharen van de rat: multidisciplinair onderzoek onthult hoe we textuur voelen

De snorharen van de rat: multidisciplinair onderzoek onthult hoe we textuur voelen

Hoe we textuur voelen, is eigenlijk lang een geheim geweest. Het is bekend dat zenuwen die verbonden zijn met de huid van de vingertoppen verantwoordelijk zijn voor het opmerken van verschillende oppervlaktegebieden, maar hoe ze dat doen, is niet goed begrepen. Knaagdieren voeren textuur uit met hun haren. Net als menselijke vingertoppen, voeren haren talloze taken uit, waarbij ze de nabijheid en de vorm van items opmerken, samen met het uiterlijk van het oppervlak.

Wiskundigen van het Department of Engineering Mathematics van de Universiteit van Bristol gingen in gesprek met neurowetenschappers van de Universiteit van Tübingen in Duitsland om te begrijpen hoe de beweging van een haar door een oppervlak textuurinformatie rechtstreeks omzet in neurale signalen die door de geest kunnen worden bekeken.

Door laboratoriumonderzoeken met hoge nauwkeurigheid uit te voeren op een echt rattenhaar, in combinatie met berekeningsversies, ontdekten de wetenschappers dat haren antennes imiteren, afgestemd om de kleine stick-slip bewegingen te voelen die worden veroorzaakt door tussen het oppervlak te wrijven, evenals de suggestie van het haar.

"Een van de meest opvallende dingen die we zowel in de experimenten als in de theorie hebben gevonden, was de duizendvoudige versterking van kleine krachtsignalen die door de punt van de snorhaar worden waargenomen tot die welke worden ontvangen door de neuronen aan de basis van de snorharen. Plots realiseerden we ons dat de snorhaar als een versterker werkt, microschaal-stick-slip-gebeurtenissen neemt en ze snel omzet in schone pulsen die kunnen worden opgepikt en verwerkt door de hersenen, "verklaarde professor Alan Champneys van de Universiteit van Bristol, co -leider van de modelovereenkomst met medewerker, Dr. Robert Szalai. Dr. Thibaut Putelat voerde de diepgaande wiskundige modellering uit.

Het onderzoek Transport van textuursignalen langs een rattenhaar, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten van de auteur Nature, onthult dat het taps toelopen van het haar de impact heeft van het intensiveren van kleine hoogfrequente bewegingen tot aanzienlijke pulsachtige wijzigingen, zowel effectief als beweging bij het haarhaarzakje. Op zijn beurt voelt het afferente neuron in de haarfollikel deze wijzigingen aan en brengt deze ook over naar de geest.

“Het is bijna alsof de morfologie van de snorhaar ontworpen is om deze door wrijving geïnduceerde signalen als “airconditioner”-golven over te brengen bovenop de “gelijkstroom”-beweging van de snorhaar die de informatie over de nabijheid en hardheid van het oppervlak overbrengt.

“Deze Air Conditioner-golven zijn ook klein en snel te zien door het menselijk oog. Door dit probleem echter multidisciplinair aan te pakken, hebben we deze golven voor het eerst met duidelijkheid kunnen blootleggen”, zegt professor Champneys.

"Het zoeken naar heeft ook effecten op de menselijke aanraking, waar de morfologie van vingerafdrukken veel gecompliceerder is, maar ook airconditioner en gelijkstroomsignalen kan vergelijken, aangezien onze geest talloze informatiestromen probeert te ontwarren over wat we echt voelen ”, zei Dr. Maysam Oladazimi, die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn Ph.D.

De bevindingen kunnen verstrekkende voordelen hebben, waaronder hoe texturen kunnen worden ontworpen om optimale aanwijzingen te bieden voor slechtzienden, voor menselijke veiligheid in omgevingen met weinig licht of voor meeslepende artistieke installaties.

“Dit onderzoek biedt een aantal kansen voor toekomstige banen. Als neurowetenschappers hebben we er belang bij om een ​​veel diepgaander begrip te krijgen van neurale signaalpaden bij textuurdiscriminatie, terwijl onze collega's in Bristol graag willen kijken naar effecten voor de stijl van toekomstige robotwaarnemingssystemen", zegt professor Cornelius Schwarz, die de experimenten leidde aan de universiteit van Tübingen.

Professor Champneys zei dat het onderzoek van bijzondere waarde was voor haptische detectie op het gebied van robotica, waar robots letterlijk hun omgeving voelen en de focus is van veel huidig ​​​​onderzoek, vooral voor robots die autonoom moeten handelen in het donker, zoals bij het zoeken en reddingsmissies. Professor Nathan Lepora en collega's van het Bristol Robotics Laboratory zijn pioniers op dit gebied.

“Deze wereldwijde interdisciplinaire samenwerking tussen experimentatoren en wiskundige modelbouwers was interessant. De resultaten van de computersysteemversies en de experimenten in het onderzoekslaboratorium gingen samen - het was gewoon met een mix van beide dat we in staat waren om onze ontwikkeling te maken, "verklaarde professor Champneys.