Первая 3D-симуляция полной вибриссной системы крысы работает как тактильная "камера"

Инженеры Северо-Западного университета разработали первую полную трехмерную (3D) динамическую симуляцию всей вибриссной системы крысы, что дает редкое реалистичное представление о том, как крысы получают тактильную информацию.

Новая модель, названная WHISKiT, включает 60 отдельных вибрисс, каждая из которых анатомически, пространственно и геометрически корректна. Эта технология может помочь исследователям предсказать, как вибриссы активируют различные сенсорные клетки, влияя на сигналы, отправляемые в мозг, а также дать новое понимание таинственной природы человеческого осязания.

Исследование было опубликовано на прошлой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Одним лишь движением вибрисс крысы могут извлекать детальную информацию об окружающей среде, включая расстояние до объекта, его ориентацию, форму и текстуру. Эта острая способность делает сенсорную систему крысы идеальной для изучения взаимосвязи между механикой (движущейся вибриссы) и сенсорным входом (тактильными сигналами, отправляемыми в мозг).

Хотя вибриссная система крысы является широко используемой упрощенной моделью в сенсорной нейробиологии, изучать нервную систему животного во время его движения и взаимодействия с естественной средой сложно.

"Мы не можем измерить сигналы у основания настоящей вибриссы крысы с помощью современных технологий, потому что как только вы внедряете датчик, он мешает самим сигналам", — сказала Митра Хартманн, старший автор исследования. — "Единственный способ по-настоящему зафиксировать, как крыса активно ощущает окружающую среду в естественных условиях, — это смоделировать это".

Симуляции, обладающие потенциалом для преодоления этих проблем, становятся все более важным компонентом нейробиологии. Разработав WHISKiT, авторы исследования получили первую полную модель тактильного ввода для движущейся сенсорной системы, которая показывает, как крысы активно "ощупывают" и пассивно ощущают свою сложную 3D-среду.

"Поскольку ни одна из вибрисс не работает изолированно, WHISKiT имеет решающее значение для понимания того, как мозг обрабатывает поступающую тактильную сенсорную информацию", — сказала Надина Цвайфель, первый автор статьи. — "Это эквивалентно тактильной 'камере', которая может фиксировать механические сигналы, которые животное может получать, используя вибриссы для взаимодействия с окружающей средой. Таким образом, мы считаем, что наш инструмент значительно расширяет спектр возможностей для вычислительных и экспериментальных исследований в будущем".

Хартманн — профессор биомедицинской и механической инженерии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета, где она является членом Центра робототехники и биосистем и Межуниверситетской программы по нейробиологии. Цвайфель — кандидат наук в лаборатории Хартманн.

Для разработки новой модели WHISKiT команда Северо-Западного университета объединила более чем десятилетние экспериментальные данные из лаборатории Хартманн. Поскольку каждая вибрисса немного отличается, ее группа ранее рассчитала правильную геометрию (включая дугу, диаметр основания и наклон) для отдельных вибрисс. После проверки моделей отдельных вибрисс исследователи объединили их в полный массив.

Полученная модель учитывает геометрию, пространственное расположение и движение всех 60 вибрисс (30 с каждой стороны) на морде крысы. Каждая вибрисса встроена в фолликул, где у ее основания генерируются механические сигналы.

WHISKiT также включает новые данные, собранные с 3D-сканов естественной среды обитания крыс, сделанных Цвайфель, включая городские переулки, районы вокруг мусорных контейнеров и дренажные трубы в городах Чикаго и Эванстон. Модель симулирует крыс в этих естественных условиях (например, "ощупывающих" дренажную трубу), а также в лабораторных условиях. Исследователи обнаружили, что каждый типичный исследовательский сценарий генерирует уникальный набор данных.

"Тактильные сигналы, связанные с исследованием сложной дренажной трубы или мусорного контейнера, сильно отличаются от сигналов, связанных с исследованием пустой стены", — пояснила Хартманн.

Исследователи планируют далее использовать симуляцию для решения нескольких давних вопросов, включая то, как крысы могут использовать осязание для различения неподвижных и движущихся объектов, и чем активное ощупывание отличается от пассивного восприятия.