الفئران والقطط والعديد من الثدييات الأخرى لديها شوارب، والتي يستخدمونها عادة لاستشعار البيئة المحيطة بهم ، على غرار حاسة اللمس. لكن لا يزال يتعين على العلماء تحديد الوسائل التي يستخدمها الشوارب لتوصيل حاسة اللمس هذه للدماغ. الآن ، طور فريق متعدد التخصصات في جامعة نورث وسترن نموذجًا جديدًا للمساعدة في التنبؤ بكيفية تنشيط شعيرات الفئران للخلايا الحسية المختلفة للقيام بذلك ، وفقًا لـ ورقة جديدة نُشر في مجلة PLOS Computational Biology. قد يسمح هذا العمل للعلماء يومًا ما ببناء شوارب اصطناعية كأجهزة استشعار باللمس في الروبوتات وإلقاء مزيد من الضوء على اللمسة البشرية
“حاسة اللمس مهمة للغاية لكل ما نقوم به تقريبًا في العالم ، ولكن من الصعب جدًا دراسة اللمس باليدين” ، قال المؤلف المشارك ميترا هارتمان، مهندس الطب الحيوي في مركز الروبوتات والأنظمة الحيوية في نورث وسترن. “الشعيرات توفر نموذجًا مبسطًا لفهم الطبيعة المعقدة والغامضة للمس.”
هذا هو السبب في وجود مثل هذا التاريخ الطويل دراسة الشوارب (الاهتزازات) في الثدييات: الجرذان ، القطط ، سنجاب الأشجار ، خراف البحر ، فقمات المرفأ ، ثعالب البحر ، قطط القطب ، الزبابة ، الولب التمر ، أسود البحر وفئران الخلد عديمة الشعر ، تشترك جميعها بشكل مدهش في تشريح الشارب الأساسي المتشابه ، وفقًا لدراسات سابقة مختلفة. الدراسة الحالية تركز على الفئران. الفئران لديها حوالي 30 شارب كبير وعشرات من أصغرها ، وهي جزء من “نظام حساس مسح ضوئي” معقد يسمح للفأر بأداء مهام متنوعة مثل تحليل النسيج واللمس النشط لإيجاد المسار والتعرف على الأنماط وتحديد موقع الكائن ، ببساطة عن طريق كنس التضاريس بشعيراته.
من الناحية الفنية ، الشعيرات هي مجرد شعيرات ، مجموعة من خلايا الكيراتين الميتة ، تشبه إلى حد كبير شعر الإنسان. إنها بما يرتبطون به هذا يجعلها حساسة مثل الأصابع البشرية. يتم إدخال كل شارب من الفئران في جريب يصله بـ “برميل” مكون من ما لا يقل عن 4000 خلية عصبية مكتظة بكثافة. معًا ، يشكلون شبكة أو جدولًا بمثابة “خريطة” طبوغرافية ، تخبر دماغ الجرذ بالضبط عن الأشياء الموجودة وما هي الحركات التي تحدث في بيئتها المباشرة. كل هذه البراميل متصلة ببعضها البعض في نوع من الشبكة العصبية ، لذلك يتلقى الجرذ أدلة متعددة الأبعاد حول محيطه.
خريطة التردد
في 2003، اكتشف هارتمان والعديد من المتعاونين أن شعيرات الفئران يتردد صداها عند ترددات معينة. ينطبق نفس المبدأ على أوتار القيثارة أو البيانو: يتردد صدى الشعيرات الأطول عند الترددات المنخفضة ، بينما يتردد صدى الشعيرات الأقصر عند الترددات الأعلى (تصل أوتار العديد من الآلات الموسيقية أيضًا إلى ارتفاعات مختلفة بتفاوت السُمك) تمتلك الجرذان شعيرات أقصر بالقرب من الأنف ، مع وجود شوارب أطول في الخلف ، مما يسمح لها بذلك إنشاء نوع من “خريطة التردد” يدفعون أنوفهم في كل مكان. يعمل الشارب الفردي قليلاً مثل الشوكة الرنانة أحادية السن. ضعهم جميعًا معًا ، ويمكن للفأر أن يشعر بحجم الأشياء وموضعها وحوافها ، وحتى الاختلافات الطفيفة في الملمس ، مقارنة بجسم القوارض الصغير. على سبيل المثال ، قد ينتج عن الملمس الناعم جدًا اهتزاز أقوى في شارب عالي التردد مقارنة بشارب منخفض التردد.
أثناء التحرك على الأرض ، يكون الجرذ مسح بيئته باستمرار بشعيراته (التي تسمى “الجلد”) ، تجتاح ما بين خمس و 12 مرة في الثانية. عندما يصطدم الشارب بشيء ما ، فإنه ينحني في جريبه ، مما يؤدي إلى دفع نبضات كهربائية إلى الدماغ تسمح للفأر بتحديد اتجاه ومسافة كل شارب. تنبض بعض الخلايا العصبية في قشرة الفئران بترددات دقيقة للغاية ، ويتم إرسال هذه النبضات بشكل مستمر إلى المهاد ، والتي تقارنها بإشارات الشعيرات الواردة. هذه هي الطريقة التي يشكل بها الحيوان “صورة” للعالم من حوله.
جامعة نورث وسترن / شك نادينا
أراد هارتمان وزملاؤه معرفة المزيد حول كيفية استجابة نظام الاستشعار المعقد هذا للمنبهات الخارجية المختلفة ، خاصة أثناء الجلد النشط. ومع ذلك ، “ليس من الممكن بعد قياس هذا التفاعل تجريبيًا في الجسم الحي»، اكتب المؤلفين. لذلك قرروا إنشاء نموذج ميكانيكي للمركب الجريبي الجيبي لمحاكاة التشوه داخل الجريب.
“الجزء من الشارب الذي يحفز أجهزة استشعار اللمس مخفي داخل البصيلة ، لذلك من الصعب للغاية دراسته ،” يقول هارتمان. “لا يمكنك قياس هذه العملية تجريبيًا لأنك إذا فتحت البصيلة ، فإن الضرر سيغير الطريقة التي تمسك بها الشعيرات. من خلال تطوير عمليات محاكاة جديدة ، يمكننا الحصول على معلومات حول العمليات البيولوجية التي لا يمكن قياسها بشكل مباشر. تجريبيًا.”
“الجلد النشط”
لبناء نموذجهم ، هارتمان وآخرون. كان يعتمد جزئيًا على بيانات من أ 2015 خارج الجسم الحي دراسة من شعيرات الفئران ، لقياس إزاحة الأنسجة استجابة لانحراف الطولي في صف تشريح موجود في طبق بتري. في حين أن هذه التجربة السابقة ركزت فقط على منطقة صغيرة من مجمع الجيوب الجريبي بأكمله ، إلا أن البيانات الناتجة أعطت فريق Northwest نقطة انطلاق مفيدة.
انتهى الفريق بشيء يشبه نموذج الشعاع والربيع لتحريك الشعيرات في مجمع الجريب الجيوب. تعمل الشعيرات وجدران المسام كحزم ، حيث يمثل توزيع الأنسجة داخل جدار الجريب أربعة ينابيع داخلية في أماكن مختلفة. تعمل الأنسجة الضامة والعضلات الموجودة خارج الجريب مباشرة كنوابض خارجية في الجزء العلوي والسفلي من البصيلة ، حيث تعمل أنسجة الوجه البعيدة والبصيلات المجاورة كأرضية صلبة في النموذج.
هارتمان وآخرون. وجد أن شوارب الفئران أكثر عرضة للانحناء إلى شكل “S” في الجريب عند لمس جسم ما. ثم يدفع هذا الانثناء خلايا المستشعر أو يسحبها ، مما يجعلها ترسل إشارات لمسية إلى الدماغ. يحدث نفس ملف تعريف الانحناء بغض النظر عما إذا كانت الشعيرات تحتك بجسم ما أو تم لمسها من الخارج. ويمكن أن يؤدي تقلص العضلات الجوهري وزيادة ضغط الدم إلى تحسين حساسية اللمس في النظام.
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 اتساق ملف تعريف تشوه الشارب بين اللمسة السلبية والسوط النشط” ، قال المؤلف المشارك Yifu Luo، طالب دراسات عليا من مختبر هارتمان. “بعبارة أخرى ، ستستجيب نفس المجموعة من الخلايا الحسية عندما ينحرف الشارب في نفس الاتجاه في كلتا الحالتين. وتشير هذه النتيجة إلى أنه يمكن إجراء أنواع معينة من التجارب لدراسة السوط النشط في حيوان مخدر.”
DOI: علم الأحياء الحسابي PLOS ، 2021. 10.1371 / journal.pcbi.1007887 (حول DOIs).
