Наше осязание – это то, что мы часто принимаем как должное, пока наша нога не засыпает и мы не можем стоять, или пока мы не испытываем острую боль. Чувство осязания также считается само собой разумеющимся в нейробиологии, где учёные знают об этом меньше всего.
Международная группа исследователей, в том числе Элисон Барт из Университета Карнеги-Меллона, меняет это положение. Впервые исследователи связали группу нейронов с определенным типом соматосенсора, открытие, которое может открыть дверь для более глубокого понимания нашего осязания. Исследование опубликовано в декабре. 3 выпуск Neuron.
"Соматосенсибилизация критична. Вы можете отчасти преодолеть потерю обоняния, зрения, вкуса или слуха. Но если вы потеряете осязание, вы не сможете ни сидеть, ни ходить. Вы не сможете почувствовать боль," сказал Барт, профессор биологических наук и участник исследовательской инициативы BrainHubSM Карнеги-Меллона. "Мы знаем об особенностях, из которых состоит наш богатый тактильный опыт, меньше, чем о каких-либо других чувствах, но это очень критическое чувство."
Соматосенсорное ощущение, другое слово для нашего осязания, проявляется в различных формах, таких как ощущение текстуры, температуры, давления, боли или вибрации. Он отвечает за проприоцепцию, которая помогает нам узнать, где мы находимся в нашей среде. Он сообщает нам, твердо ли наши ноги стоят на полу, или мы держим бумажный стаканчик достаточно крепко, чтобы он не выскользнул из нашей руки, но достаточно слабо, чтобы мы не раздавили стаканчик. Ученые много знают о молекулярных рецепторах, которые опосредуют различные типы соматосенсора, но мало знают о том, как осязание представлено в мозгу.
"Когда кто-то укололся булавкой, мы знаем, как информация об этом ощущении передается от кожи к спинному мозгу. Но то, что происходит в мозгу, было гораздо менее ясно – кажется, что все виды сенсорной информации перемешиваются вместе," – сказал Барт, который также является членом совместного Центра нейронных основ познания Карнеги-Меллона и Университета Питтсбурга (CNBC).
Это был беспорядок – до сих пор.
В предыдущих исследованиях Барт обнаружил, что определенные группы нейронов неокортекса головного мозга достоверно более активны, чем другие. Используя мышь fos-GFP, модель трансгенных мышей, созданную Барт для изучения активности живых нейронов, она и ее коллеги решили выяснить, были ли эти нейроны в целом более возбудимыми или они реагировали конкретно на один тактильный стимул. Они обнаружили, что эти нейроны реагировали намного быстрее и сильнее, когда дуновение воздуха было направлено на усы мыши, в то время как другие нейроны практически не реагировали.
"Это первый раз, когда мы смогли визуализировать нейроны соматосенсорной коры, которым «нравится» определенный тактильный стимул," Барт сказал. "Это показывает, что нейроны – это особи. У них разные работы в коре головного мозга. В этом случае у этих нейронов была особенность: они реагировали, когда все усы мыши двигались одновременно."
Они также обнаружили, что рассматриваемые нейроны получали прямой синаптический сигнал от заднемедиального ядра таламуса головного мозга. Это показывает, что нейроны, которые реагируют на стимул, связанный с порывом воздуха, имеют выделенную уникальную подсеть соединений, которая позволяет им общаться друг с другом и усиливать информацию, которую они получают от стимула.
"Теперь, когда мы изолировали нейронную основу определенной функции, мы можем попытаться манипулировать и изменять взаимодействия между клетками. Можем ли мы тренировать мышь и укреплять связи между нейронами?? Что произойдет с восприятием, если мы удалим связи? Это действительно предел понимания соматосенсорной функции," Барт сказал.
Это исследование также может привести к работе, которая определит, как кодируется соматосенсорная информация, что может быть использовано для включения сенсорной информации в интерфейсы мозг-машина. Это может позволить роботизированным конечностям и протезам активно воспринимать и получать тактильные сигналы.
Соавторы исследования: Жан-Себастьен Жоано, Лейрон Феррарез, Люк Эстебанес и Джеймс Ф.А. Пуле из отделения неврологии Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка в Берлине и Исследовательского центра нейронауки при Шарите-университетмедицин в Берлине; Ник Дж. Одетт, докторант кафедры биологических наук Карнеги-Меллона и CNBC; и Майкл Брехт из Центра вычислительной нейробиологии им. Бернштейна при Университете Гумбольдта в Берлине и Исследовательского центра нейробиологии при Шарите-Университетмедизин в Берлине.
Исследование финансировалось Deutsche Forschungsgemeinschaft, Европейским исследовательским советом, Фондом Александра фон Гумбольдта, Европейским союзом и Национальными институтами здравоохранения (DA 0171-88).
Карнеги-Меллон, родина искусственного интеллекта и когнитивной психологии, уже более 50 лет является лидером в изучении мозга и поведения. Университет создал одних из первых наставников по когнитивным технологиям, помог разработать победившего в Jeopardy Watson, основал новаторскую докторскую программу по нейронным вычислениям и выполнил передовую работу по пониманию генетики аутизма. Опираясь на свои сильные стороны в области биологии, информатики, психологии, статистики и инженерии, CMU недавно запустил BrainHubSM, глобальную инициативу, которая фокусируется на том, как структура и активность мозга порождают сложное поведение.