Weizmann-instituutin ja japanilaisten yliopistojen tekemä tutkimus paljasti, kuinka nämä jyrsijät eristävät viiksillään tuottamat signaalit erottaakseen todelliset tuntoaistimukset ympäristöstään.
Yli kaksi vuosikymmentä sitten tutkijat Weizmannin tiedeinstituutista tekivät hämmästyttävän löydön . Syvällä hiusfollikkeleissa vibrissien rotilla he tunnistivat luokan aistineuroneja, joiden käyttäytyminen oli aiemmin tuntematon. Vaikka viiborit liikkuvat jatkuvasti ilmassa rytmisellä liikkeellä, nämä neuronit pysyvät passiivisina siihen asti, kunnes viibori koskettaa esinettä . Tällöin ne aktivoituvat hämmästyttävän tarkasti.
Tämä herätti perustavanlaatuisen kysymyksen: millainen biologinen tekniikka mahdollistaa sen, että aistijärjestelmä voi sivuuttaa eläimen itsensä aiheuttaman liikkeen ja reagoida vain ulkoiseen kosketukseen? Uusi tutkimus, joka on julkaistu Nature Communications -lehdessä, tarjoaa evoluutioteoreettisen ratkaisun tähän mielenkiintoiseen tekniseen ongelmaan.
Viisi karvatuppia 100 mikronin paksuisessa kudosleikkeessä, tarkasteltuna mikroskoopilla. Jokainen follikkeli on suljettu paksuun kollageenikapseliin, jota ympäröi luurankolihas. Follikkeli sisältää joukon mekaanisia reseptoreita, joiden neulamaiset päät on kiinnitetty kollageenirikkaaseen matriisiin, joka sijaitsee follikkelin yläosassa.
Toisin kuin tavalliset karvat, rottien ja muiden jyrsijöiden, kuten hiirien tai hamstereiden, viikset ovat syvällä erikoistuneissa follikkeleissa, jotka ovat täynnä mekanoreceptoreita : neuronien ryhmiä, jotka lähettävät signaaleja aivoihin , kun viikset tutkivat ympäristöä.
Yli 20 vuotta sitten professori Satomi Ebara Meiji-yliopistosta integratiivisesta lääketieteestä Kiotossa, Japanissa, yhdessä kollegoidensa kanssa havaitsi, että mekaanisia reseptoreita esiintyy monenlaisissa tyypeissä, joista kukin sijaitsee omassa kerroksessaan, kudoksessaan ja rakenteellisessa kapeassaan. Kuitenkin, miten nämä arkkitehtoniset erot vaikuttavat reseptorien toimintaan, oli edelleen tuntematonta.
Noin samaan aikaan professori Ehud Ahissar yhdessä Marcin Shvedin ja tohtori Knarik Bagdasaryanin kanssa Weizmannin tiedeinstituutista havaitsivat, että mekaaniset reseptorit jaetaan useisiin toiminnallisiin luokkiin. Yksi ryhmä, kontaktineuronit, reagoivat vain tuntoaistimuksiin riippumatta siitä, koskettavatko vibrissat esinettä. Toinen ryhmä, jonka tutkijat ovat nimenneet tuntohermoiksi, aktivoituu vain, kun vibrissat taipuvat hieman koskettaessaan ulkoista esinettä; se pysyy täysin passiivisena vibrissien liikkuessa.
Kuten aiemmin selitettiin, Ahissarin tiimin löytö hämmensi tutkijoita: kuinka neuroni voi reagoida yksinomaan yhteen tyyppiseen mekaaniseen informaatioon? Uusi tutkimus, jonka suoritti maisteriopiskelija Taiga Muramoto Ebara-tutkijan ohjauksessa, joka yli kaksi vuosikymmentä sitten laati kartan viiksien karvatuppien rakenteesta, tarkasteli tätä kysymystä nykyaikaisten välineiden avulla. Tutkimus tehtiin yhteistyössä Osakan yliopiston professori Takahiro Furutan tiimin sekä Ahissarin ja Bagdasaryanin kanssa Weizmannin instituutin neurotieteiden osastolta.
Tutkijat havaitsivat, että rotan viiksikarvan karvatuppessa on useita primitiivisiä mekaanisia mekanismeja: kollageenijouset, kerrokselliset osastot , kalvoankkurit ja inertia-vaimentimet , jotka ilmeisesti ovat muodostuneet luonnonvalinnan tuloksena erottamaan oma liike ulkoisesta kosketuksesta. Nämä mekanismit antavat rotille mahdollisuuden havaita jopa hienoimmatkin kosketukset poikkeuksellisen tarkasti.
Tutkijat ovat tunnistaneet erityisen alatyypin, joka koostuu noin 50 neulamaisesta mekanoreseptorista satojen reseptorien joukossa kussakin follikkelissa, jotka on erityisesti suunniteltu havaitsemaan aktiivinen kosketus. Skannauselektronimikroskopia osoitti, että nämä reseptorit on upotettu kollageenirikkaaseen rakenteeseen, joka eristää ne mekaanisesti supistumisen aikana syntyvistä tärinöistä.
Yksi yllättävimmistä löydöksistä oli, että tämä kollageenirakenne toimii kuin pieni paino follikkelin sisällä. Kuten raskas heiluri, joka vakauttaa rakennusta voimakkaassa tuulessa, sen inertia vaimentaa tärinän aiheuttamia heilahteluja, jolloin reseptorit reagoivat vain todelliseen ulkoiseen kosketukseen.
Mekanoreseptorien toiminta määräytyy myös niiden ainutlaatuisen sijainnin perusteella: ne kaikki sijaitsevat yksikerroksisessa renkaassa lähellä follikkelin massakeskiötä, lähellä tukipistettä, jonka ympärillä vibrissit pyörivät . Tämä tukipiste ei juurikaan siirry liikkeen aikana, mikä tekee siitä ihanteellisen paikan detektorille, jonka on pysyttävä liikkumattomana vibrissien liikkeen aikana. Klusteroitumisen ansiosta tämän mekaanisesti vakaa alueen ympärillä miekkan kaltaiset reseptorit pysyvät passiivisina jopa vibrissien voimakkaiden heilautusten aikana, mutta aktivoituvat välittömästi kosketuksessa esineeseen.
Vertailut muihin lajeihin osoittavat, että eläimet, jotka eivät käytä aktiivista heilautusta, eivät ole kehittäneet näitä evoluutiotekniikoita. Esimerkiksi kissoilla miekkaa muistuttavat reseptorit on upotettu löyhempään kollageenimatriisiin, joka tarjoaa heikon mekaanisen eristyksen. Ne eivät ole sijoitettuina yksikerroksisen renkaan muotoon, eivät ole rajoitettuja follikkelin massakeskiöön eivätkä ole suojattuja riippuvalla kollageenikuormalla.
Jokaisella rotan kuonon puolella on noin 35 liikkuvaa vibrissejä, joista kukin välittää mekaanista tietoa aivoihin satojen mekaanisten reseptorien kautta, jotka sijaitsevat sen follikkelissa.
Rotat ovat aktiivisimpia pimeässä ja luottavat herkän viiksikarvansa liikkeisiin ympäristön tarkkaan havainnointiin. Koska niiden yökyky on heikko, viiksien avulla tapahtuva havainnointi on elintärkeää niiden selviytymiselle, selittää Ahissar.
Evoluution aikana on tapahtunut hämmästyttävä lähentyminen biomekaniikan, kudosrakenteen ja sensomotorisen tiedonkäsittelyn välillä tämän aktiivisen tuntoaistin perustavanlaatuisen tehtävän ratkaisemiseksi.
