Новая модель вибрисс помогает понять осязание
Исследователи из Северо-Западного университета создали модель, которая позволит симулировать, как крысы используют свои вибриссы (усы) для ощущения окружающих объектов. Эта модель открывает путь для дальнейших исследований, которые могут пролить свет на человеческое осязание.
Ежегодно публикуются сотни работ, использующих систему крысиных вибрисс как модель для понимания развития мозга и нейронной обработки. Крысы ритмично двигают усами, касаясь объектов, чтобы исследовать окружение на ощупь. Используя только тактильную информацию от вибрисс, крыса может определить все пространственные свойства объекта, включая размер, форму, ориентацию и текстуру.
Однако не хватает ключевого элемента для полного понимания нейронных сигналов, регистрируемых в таких исследованиях: никто не знает, как представить "прикосновение" вибриссы в терминах механических переменных.
«Мы понимаем осязание гораздо хуже, чем другие чувства», — говорит Митра Хартманн, доцент биомедицинской и машиностроительной инженерии. — «Мы знаем, что визуальные и слуховые стимулы можно измерить по интенсивности и частоте света и звука, но мы не до конца понимаем механику, которая порождает наше чувство осязания».
Чтобы создать модель, которая начинает количественно описывать эту механику, команда Хартманн сначала изучила структуру массива вибрисс крысы — 30 усов, расположенных в регулярном порядке с каждой стороны морды. Проанализировав их с помощью 2D- и 3D-сканирования, они определили взаимосвязь между размером, формой каждого уса и его расположением на морде крысы.
Используя эту информацию, команда создала модель, которая количественно описывает полную форму и структуру головы крысы и массива вибрисс. Теперь модель позволяет симулировать «ощупывание» крысой различных объектов и предсказывать полную картину входных сигналов в систему вибрисс при контакте с объектом. Затем симуляции можно сравнить с реальным поведением.
Исследование опубликовано в журнале Public Library of Science Computational Biology.
Понимание механики системы вибрисс крысы может стать шагом к пониманию человеческого осязания.
«Главный вопрос, который интересует нашу лабораторию, — как животные, включая людей, активно двигают своими сенсорами в окружающей среде и превращают эти сенсорные данные в стабильное восприятие мира», — говорит Хартманн.
Чтобы определить, как крыса может ощущать форму объекта, команда Хартманн ранее разработала световой лист для отслеживания точного положения вибрисс при контакте с объектом. Используя высокоскоростную видеосъемку, команда также может анализировать, как крыса двигает головой для исследования разных форм. Эти поведенческие наблюдения затем можно сопоставить с выходными данными модели.
Эти достижения дадут представление об осязании, но также могут привести к новым технологиям, использующим принцип системы вибрисс. Например, лаборатория Хартманн создала массивы роботизированных вибрисс, которые во многом могут имитировать возможности вибрисс млекопитающих. Исследователи показали, что эти массивы могут собирать информацию как о форме объекта, так и о потоке жидкости.
«Мы показываем, что изгибающий момент, или крутящий момент, у основания вибриссы можно использовать для генерации трехмерных пространственных представлений об окружающей среде», — объясняет Хартманн. — «Мы использовали этот принцип, чтобы создать массивы роботизированных вибрисс, которые могут воспроизводить большую часть базовой механики крысиных усов». Эта технология, по её словам, может быть использована для извлечения трехмерных характеристик практически любого твердого объекта.
Хартманн предполагает, что лучшее понимание системы вибрисс может быть полезно для инженерных применений, где использование камер ограничено. Но что важнее, лучшее понимание системы вибрисс крысы может привести к лучшему пониманию нас самих.
«Хотя вибриссы и руки очень разные, базовые нейронные пути, обрабатывающие тактильную информацию, во многом схожи у всех млекопитающих», — говорит Хартманн. — «Лучшее понимание нейронной обработки в системе вибрисс может дать представление о том, как наш собственный мозг обрабатывает информацию».