Работая с генетически модифицированными мышами - и особенно с их усами - исследователи из Университета Джона Хопкинса сообщают, что они идентифицировали группу нервных клеток в коже, ответственных за то, что они называют «активным прикосновением», сочетание движения и сенсорных ощущений, необходимых для ориентироваться во внешнем мире. Открытие этого базового сенсорного механизма, описанное онлайн 20 апреля в журнале Neuron, продвигает поиск лучших «умных» протезов для людей, которые обеспечивают более естественную сенсорную обратную связь с мозгом во время использования.
Руководитель исследования Дэниел О'Коннор, доктор философии, доцент нейробиологии в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса, объясняет, что за последние несколько десятилетий исследователи накопили богатые знания об осязании.. «Вы можете открыть учебники и прочитать все о различных типах сенсоров или рецепторных клеток в коже», - говорит он. «Однако почти все, что мы знаем, получено из экспериментов, в которых тактильная стимуляция применялась к неподвижной коже - другими словами, пассивное прикосновение».
Такое «пассивное прикосновение», - добавляет О'Коннор, - не то, как люди и другие животные обычно исследуют свой мир. Например, говорит он, люди, входящие в темную комнату, могут искать выключатель, активно ощупывая стену руками. Чтобы определить, твердый объект или мягкий, им, вероятно, потребуется нажать на него пальцами. Чтобы увидеть, гладкий объект или шероховатый, они сканировали пальцами вперед и назад поверхность объекта.
Каждая из этих форм прикосновения в сочетании с движением, по его словам, является активным способом исследования мира, а не ожиданием предъявления сенсорного стимула. Каждому из них также требуется способность ощущать относительное положение частей тела в пространстве, способность, известная как проприоцепция..
Хотя некоторые исследования предполагают, что одни и те же популяции нервных клеток, или нейронов, могут быть ответственны за восприятие как проприоцепции, так и осязания, необходимых для этой сенсорно-моторной интеграции, было ли это правдой и какие нейроны выполняют этот подвиг, неизвестно. в значительной степени неизвестны, говорит О'Коннор.
Чтобы узнать больше, О'Коннор и его команда разработали экспериментальную систему с мышами, которая позволяла им записывать электрические сигналы от определенных нейронов, расположенных в коже, как во время прикосновения, так и во время движения.
Исследователи добились этого, сообщают они, работая с сотрудниками лаборатории под руководством Дэвида Гинти, доктора философии, бывшего преподавателя Университета Джона Хопкинса, ныне работающего в Гарвардской медицинской школе, над созданием генетически измененных мышей. У этих животных тип сенсорных нейронов в коже, называемый афферентами Меркеля, был мутирован таким образом, что они реагировали на прикосновение - их «родной» раздражитель, давно задокументированный в предыдущих исследованиях, - но также и на синий свет, которого нервные клетки кожи не воспринимают. обычно не отвечаю на.
Ученые научили грызунов бегать на беговой дорожке размером с мышь, к передней части которой был прикреплен небольшой шест, который был моторизован для перемещения в разные места. Перед тем, как мыши начали бегать, исследователи использовали свою сенсорную и световую сенсибилизированную систему, чтобы найти одиночный афферент Меркеля возле усов каждого животного, и использовали электрод для измерения электрических сигналов от этого нейрона..
Подобно тому, как люди используют свои руки, чтобы исследовать мир с помощью прикосновений, мыши используют свои усы, объясняет О'Коннор. Следовательно, когда животные начали бегать по беговой дорожке, они двигали усами вперед и назад в движении, которое исследователи называют «исследовательским взмахом».
Используя высокоскоростную камеру, сфокусированную на усах животных, исследователи сняли почти 55 000 000 кадров видео, пока мыши бегали и взбивались. Затем они использовали алгоритмы компьютерного обучения, чтобы разделить движения на три разные категории: когда грызуны не двигались и не касались шеста; когда они взмахивали без контакта; или когда они бились об столб.
Затем они соединили каждое из этих движений - используя видеофрагменты, снятые 500 раз в секунду - с электрическими сигналами, исходящими от чувствительных к синему свету афферентов Меркеля животных.
Результаты показывают, что афференты Меркеля производят потенциалы действия - электрические импульсы, которые нейроны используют для связи друг с другом и мозгом - когда связанные с ними усы контактируют со полюсом. По словам О'Коннора, это открытие не было особенно удивительным, потому что роль этих нейронов в осязании хорошо известна.
Однако, говорит он, афференты Меркеля также сильно реагировали, когда они двигались в воздухе, не касаясь шеста. Углубившись в конкретные электрические сигналы, исследователи обнаружили, что потенциалы действия точно связаны с положением усов в пространстве. Эти результаты показывают, что афференты Меркеля играют двойную роль в осязании и проприоцепции, а также в сенсомоторной интеграции, необходимой для активного осязания, говорит О'Коннор.
Хотя эти результаты относятся к усам мыши, он предупреждает, что он и его коллеги считают, что афференты Меркеля у людей могут выполнять аналогичную функцию, потому что многие анатомические и физиологические свойства афферентов Меркеля кажутся одинаковыми у разных видов. включая мышей и людей.
Помимо прояснения основного биологического вопроса, говорит О'Коннор, исследование его команды может также в конечном итоге улучшить искусственные конечности и пальцы. Некоторые протезы теперь могут взаимодействовать с человеческим мозгом, что позволяет пользователям перемещать их с помощью направленных сигналов мозга. Хотя это движение является огромным шагом вперед по сравнению с традиционным статическим протезированием, оно по-прежнему не обеспечивает плавного движения естественных конечностей. Он объясняет, что, интегрируя сигналы, подобные тем, которые вырабатываются афферентами Меркеля, исследователи могли бы в конечном итоге создать протезы, которые могут посылать сигналы о прикосновении и проприоцепции в мозг, позволяя совершать движения, подобные естественным конечностям.