Un studiu realizat de Institutul Weizmann și universități japoneze a descoperit modul în care aceste rozătoare izolează semnalele generate de mustățile lor pentru a distinge senzațiile tactile reale de mediul înconjurător.
Cu mai bine de două decenii în urmă, cercetătorii de la Institutul de Știință Weizmann au făcut o descoperire surprinzătoare. Adânc în foliculii pilosi ai vibriselor șobolanilor, ei au identificat o clasă de neuroni senzoriali cu un comportament până atunci necunoscut. În timp ce vibrisele se mișcă constant în aer într-o mișcare ritmică, aceste neuroni rămân inactive până în momentul în care vibrisa intră în contact cu un obiect . În acest moment, ele se activează cu o precizie uimitoare.
Acest lucru a ridicat o întrebare fundamentală: ce fel de inginerie biologică permite sistemului senzorial să ignore mișcarea creată de animalul însuși și să reacționeze numai la contactul extern? Un nou studiu, publicat în revista Nature Communications, oferă o soluție evolutivă la această remarcabilă provocare inginerească.
Spre deosebire de părul obișnuit, mustățile șobolanilor și ale altor rozătoare, cum ar fi șoarecii sau hamsterii, sunt profund împletite în foliculi specializați, saturați cu mecanoreceptori : aglomerări de neuroni care trimit semnale către creier atunci când mustățile explorează mediul înconjurător.
Cu peste 20 de ani în urmă, profesorul Satomi Ebara de la Universitatea de Medicină Integrativă Meiji din Kyoto, Japonia, împreună cu colegii săi, a descoperit că mecanoreceptorii se găsesc în cele mai diverse tipuri, fiecare dintre ele fiind situat în propriul strat, țesut și nișă structurală. Cu toate acestea, modul în care aceste diferențe arhitecturale influențează funcția receptorilor rămânea necunoscut.
Aproximativ în același timp, profesorul Ehud Ahissar, împreună cu Marcin Shved și dr. Knarik Baghdasarian de la Institutul de Știință Weizmann, au descoperit că mecanoreceptorii se împart în mai multe clase funcționale. Un grup, neuronii de contact, reacționează numai la mișcările tactile, indiferent dacă vibrisele ating obiectul. Un alt grup, numit de cercetători neuroni tactili, se activează numai atunci când vibrisele se îndoaie ușor la contactul cu un obiect extern; acesta rămâne complet inactiv în timpul mișcării vibriselor.
Un nou studiu realizat de masteranda Taiga Muramoto sub îndrumarea lui Ebara, un om de știință care a cartografiat foliculul pilos al mustății în urmă cu mai bine de două decenii, a abordat această problemă folosind instrumente moderne. Cercetarea a fost realizată în colaborare cu echipa profesorului Takahiro Furuta de la Universitatea din Osaka, precum și cu Ahissar și Baghdasarian de la Departamentul de Neuroștiințe al Institutului Weizmann.
Oamenii de știință au descoperit că foliculul pilos al vibriselor șobolanului conține o serie de mecanisme mecanice primitive: arcuri de colagen, compartimente stratificate , ancore membranare și amortizoare inerțiale , care, aparent, au fost formate prin selecție naturală pentru a separa mișcarea proprie de atingerea externă. Aceste mecanisme permit șobolanilor să detecteze cu o precizie extraordinară chiar și cele mai subtile atingeri.
Cercetătorii au identificat un subtip special, format din aproximativ 50 de mecanoreceptori în formă de ac, printre sutele de receptori din fiecare folicul, special destinați detectării atingerii active. Microscopia electronică de baleiaj a arătat că acești receptori sunt încorporați într-o structură bogată în colagen, care îi izolează mecanic de vibrațiile care apar în timpul contracției.
Una dintre cele mai surprinzătoare descoperiri a fost faptul că această structură de colagen acționează ca un mini-greutate în interiorul foliculului. La fel ca un pendul greu care stabilizează clădirea în timpul vântului puternic, inerția sa atenuează oscilațiile cauzate de șocuri, asigurând reacția receptorilor numai la atingerea externă reală.
Funcția mecanoreceptorilor este determinată și de poziția lor unică: toți se află într-un inel cu un singur strat în apropierea centrului de masă al foliculului, lângă punctul de sprijin în jurul căruia se rotește vibrissa. Acest punct de sprijin practic nu se deplasează în timpul mișcării, ceea ce îl face locul ideal pentru un detector care trebuie să rămână nemișcat în timpul mișcării vibriselor. Datorită clusterizării în jurul acestei zone mecanic stabile, receptorii, asemănători cu un mănunchi, rămân inactivi chiar și la o mișcare energică a vibriselor, dar se activează instantaneu la contactul cu un obiect.
Comparațiile cu alte specii arată că animalele care nu utilizează mișcarea activă sunt lipsite de aceste tehnici evolutive. De exemplu , la pisici, receptorii asemănători cu ciocanele sunt încorporați într-o matrice de colagen mai slabă , care asigură o izolare mecanică slabă. Aceștia nu sunt dispuși sub forma unui inel cu un singur strat, nu sunt limitați de centrul de masă al foliculului și nu sunt protejați de o sarcină de colagen suspendată.
Pe fiecare parte a botului șobolanului se află aproximativ 35 de vibrisse mobile, fiecare dintre ele transmițând informații mecanosenzoriale creierului prin sute de mecanoreceptori situați în foliculul său.
Șobolanii sunt cei mai activi în întuneric și se bazează pe mișcarea mustăților lor sensibile pentru a percepe cu precizie mediul înconjurător. Deoarece au o vedere nocturnă slab dezvoltată, detectarea cu ajutorul mustăților este vitală pentru supraviețuirea lor, explică Ahissar.
În procesul evoluției, a avut loc o apropiere uimitoare între biomecanică, arhitectura țesuturilor și procesarea senzomotorie a informațiilor pentru a rezolva această sarcină fundamentală de percepție tactilă activă.
