السر وراء حاسة اللمس لدى الجرذ؟ كل ذلك في كيفية ثني الشعيرات

الفئران والقطط والعديد من الثدييات الأخرى لديها شعر اللحية، والتي يستخدمونها عادة لاستشعار البيئة المحيطة بهم ، مثل حاسة اللمس. لكن العلماء لم يحددوا بدقة الوسائل التي من خلالها توصل شعيرات الشعيرات تلك حاسة اللمس إلى الدماغ. الآن ، توصل فريق متعدد التخصصات في جامعة نورث وسترن إلى نموذج جديد للمساعدة في التنبؤ بكيفية تنشيط شعيرات الفئران للخلايا الحسية المختلفة للقيام بذلك ، وفقًا لـ ورقة جديدة نُشر في مجلة PLOS Computational Biology. يمكن لمثل هذا العمل أن يمكّن العلماء يومًا ما من بناء شعيرات اصطناعية كأجهزة استشعار لمسية في الروبوتات بالإضافة إلى إلقاء مزيد من الضوء على اللمسة البشرية.

“حاسة اللمس مهمة للغاية لكل ما نقوم به تقريبًا في العالم ، ومع ذلك فمن الصعب جدًا دراسة اللمس باستخدام اليدين ،” قال المؤلف المشارك ميترا هارتمان، مهندس الطب الحيوي في مركز نورث وسترن للروبوتات والأنظمة الحيوية. “الشعيرات توفر نموذجًا مبسطًا لفهم الطبيعة المعقدة والغامضة للمس.”

هذا هو السبب في وجود مثل هذا التاريخ الطويل دراسة شعيرات (الاهتزازات) في الثدييات: الجرذان والقطط وسناجب الأشجار وخراف البحر وفقمات المرفأ وثعالب البحر والقطط القطبية والزبابة والولب التمر وأسود البحر وفئران الخلد العارية تشترك جميعها في تشريح أساسي متشابه بشكل لافت للنظر ، وفقًا لدراسات سابقة مختلفة. الدراسة الحالية تركز على الفئران. الجرذان لديها حوالي 30 شعيرات كبيرة وعشرات من أصغرها ، وهي جزء من “نظام استشعار متحرك للمسح” معقد يمكّن الجرذ من أداء مهام متنوعة مثل تحليل النسيج واللمس النشط للعثور على المسار والتعرف على الأنماط وموقع الكائن ، فقط عن طريق مسح التضاريس باستخدام شعيراتها.

من الناحية الفنية ، فإن الشعيرات هي مجرد شعيرات ، مجموعة من خلايا الكيراتين الميتة ، تشبه إلى حد كبير شعر الإنسان. إنه بما يرتبطون به مما يجعلها حساسة مثل أطراف الأصابع البشرية. يتم إدخال كل شارب جرذ في جريب يصله بـ “برميل” مكون من 4000 خلية عصبية مكتظة بكثافة. معًا ، يشكلون شبكة أو مصفوفة تعمل بمثابة “خريطة” طبوغرافية تخبر دماغ الجرذ بالأشياء الموجودة بالضبط وما هي الحركات التي تحدث في بيئتهم المباشرة. كل هذه البراميل بدورها موصولة ببعضها البعض في نوع من الشبكة العصبية ، لذلك يحصل الجرذ على إشارات متعددة الأبعاد حول بيئته.

خريطة التردد

في 2003، اكتشف هارتمان والعديد من المتعاونين أن شعيرات الفئران يتردد صداها عند ترددات معينة. إنه نفس المبدأ الذي ينطبق على أوتار القيثارة أو البيانو: يتردد صدى الشعيرات الأطول عند الترددات المنخفضة ، بينما يتردد صدى الشعيرات الأقصر عند الترددات الأعلى (تحقق الأوتار في العديد من الآلات الموسيقية أيضًا نغمات مختلفة من خلال التباين في السماكة). تمتلك الجرذان شعيرات أقصر بالقرب من الأنف ، مع وجود شوارب أطول في الخلف ، مما يتيح لها ذلك إنشاء نوع من “خريطة التردد” بدس أنوفهم في كل مكان. يعمل الشارب الفردي مثل الشوكة الرنانة أحادية الشوكة. ضعهم جميعًا معًا ، ويمكن للفأر أن يشعر بالحجم والموضع وحواف الأشياء ، وحتى الاختلافات الطفيفة في الملمس ، بالنسبة لجسم القوارض الصغير. على سبيل المثال ، فإن الملمس الناعم جدًا سيخلق اهتزازًا أقوى في طولي عالي التردد مما هو عليه في الطولي منخفض التردد.

بينما يتحرك عبر التضاريس ، يكون الجرذ مسح محيطها باستمرار بشعيراتها (تسمى “الخفق”) ، تجتاح ما بين 5 و 12 مرة في الثانية. عندما يصطدم الشارب بشيء ما ، فإنه ينحني في بصيلاته ، وهذا يطلق دفعة كهربائية للدماغ تمكن الفأر من تحديد اتجاه ومدى تحرك كل شعيرة. تنبض بعض الخلايا العصبية في قشرة الفئران بترددات دقيقة للغاية ، ويتم إرسال هذه النبضات بشكل مستمر إلى المهاد ، الذي يقارنها بإشارات الطولي الواردة. هذه هي الطريقة التي يشكل بها الحيوان “صورة” للعالم من حوله.

أرادت هارتمان وزملاؤها معرفة المزيد حول كيفية استجابة نظام الاستشعار المعقد هذا للمنبهات الخارجية المختلفة ، خاصة أثناء الخفق النشط. ومع ذلك ، “ليس من الممكن بعد قياس هذا التفاعل تجريبيًا في الجسم الحيكتب المؤلفون ، لذلك قرروا إنشاء نموذج ميكانيكي لمركب الجيوب الأنفية لمحاكاة التشوه داخل الجريب.

“الجزء من الشارب الذي يطلق مستشعرات اللمس مخفي داخل البصيلة ، لذلك من الصعب للغاية دراسته ،” قال هارتمان. “لا يمكنك قياس هذه العملية تجريبيًا لأنك إذا قطعت البصيلة إلى شرائح ، فإن الضرر سيغير الطريقة التي تمسك بها الشارب. من خلال تطوير محاكاة جديدة ، يمكننا اكتساب نظرة ثاقبة على العمليات البيولوجية التي لا يمكن قياسها بشكل تجريبي مباشر.”

“الخفق النشط”

لبناء نموذجهم ، هارتمان وآخرون. يعتمد جزئيًا على بيانات من أ 2015 خارج الجسم الحي دراسة من شعيرات الفئران ، لقياس إزاحة الأنسجة استجابة لانحراف الشعيرات في صف تشريح موجود في طبق بتري. في حين أن هذه التجربة السابقة ركزت فقط على منطقة صغيرة من معقد الجريب الشعري بالكامل ، إلا أن البيانات الناتجة أعطت فريق نورث وسترن نقطة انطلاق مفيدة.

انتهى الفريق بشيء يشبه نموذج الشعاع والربيع لإزاحة الشعيرات في مجمع الجيوب الأنفية. تعمل جدران الشعيرات والجريب كعوارض ، مع توزيع الأنسجة داخل جدار المسام الذي يمثل أربعة ينابيع داخلية في مواقع مختلفة. يعمل النسيج الضام والعضلات الموجودة خارج الجريب مباشرة كنوابض خارجية في الجزء العلوي والسفلي من البصيلة ، مع أنسجة الوجه البعيدة والبصيلات المجاورة تعمل كأرضية صلبة في النموذج.

هارتمان وآخرون. وجد أن شعيرات الفئران تكون أكثر عرضة للانحناء على شكل حرف “S” داخل الجريب عندما تلمس شيئًا ما. هذا الانحناء يدفع أو يسحب خلايا المستشعر ، مما يدفعها إلى إرسال إشارات اللمس إلى الدماغ. ينتج ملف تعريف الانحناء نفسه بغض النظر عما إذا كانت أداة الفرشاة تتلامس مع كائن ما أو تم لمسها خارجيًا. ويمكن أن يؤدي كل من تقلص العضلات الجوهري وزيادة ضغط الدم إلى تحسين الحساسية اللمسية للنظام.

يعترف المؤلفون بأن هذا نموذج مبسط ، يركز على انحراف بصيلة واحدة في كل مرة ، لكنهم يأملون في محاكاة الانحراف المتزامن لشعيرات متعددة في المستقبل. حتى النموذج المبسط له آثار مثيرة للاهتمام للبحث في المستقبل.

“يوضح نموذجنا الاتساق في ملف تعريف تشوه الشعيرات بين اللمس السلبي والخفق النشط ،” قال المؤلف المشارك Yifu Luo، طالب دراسات عليا في مختبر هارتمان. “بعبارة أخرى ، ستستجيب نفس المجموعة من الخلايا الحسية عندما ينحرف الطولي في نفس الاتجاه في كلتا الحالتين. وتشير هذه النتيجة إلى أن بعض أنواع التجارب لدراسة الخفق النشط يمكن إجراؤها في حيوان مخدر.”

DOI: PLOS Computational Biology ، 2021. 10.1371 / journal.pcbi.1007887 (حول DOIs).