Weizmann instituto ir Japonijos universitetų tyrimai atskleidė, kaip šie graužikai izoliuoja savo ūsų generuojamus signalus, kad galėtų atskirti realų prisilietimą nuo aplinkos.
Prieš daugiau nei du dešimtmečius Veizmano mokslo instituto tyrėjai padarė įdomų atradimą. Giliuose žiurkių ūselių folikuluose jie identifikavo jutimo neuronų klasę, kurios elgsena iki tol buvo visiškai nežinoma. Nors ūsai nuolat ritmiškai juda ore, šie neuronai lieka tylūs iki pat momento, kai ūsas susiliečia su objektu. Tuo momentu jie suveikia su stebinančiu tikslumu.
Tai iškėlė esminį klausimą: kokia biologinė inžinerija leidžia jutimo sistemai ignoruoti gyvūno paties sukeliamus judesius ir reaguoti tik į išorinį kontaktą? Naujame tyrime, paskelbtame „Nature Communications“, pateikiamas evoliucinis sprendimas šiam neįtikėtinam inžinerijos iššūkiui.
Skirtingai nuo įprastų plaukų, žiurkių ir kitų graužikų, pvz., pelių ar žiurkių, ūsai yra giliai įsišakniję specializuotuose folikuluose, užpildytuose mechanoreceptoriais: neuronų grupėmis, kurios siunčia signalus į smegenis, kai ūsai tiria aplinką.
Prieš daugiau nei dvidešimt metų Meidži integruotosios medicinos universiteto Kiote (Japonija) profesorė Satomi Ebara kartu su kolegomis atrado, kad mechanoreceptoriai yra labai įvairių tipų, kiekvienas iš jų yra savo sluoksnyje, audinyje ir struktūrinėje nišoje. Tačiau nebuvo žinoma, kaip šie architektūriniai skirtumai veikia receptorių funkciją.
Maždaug tuo pačiu metu profesorius Ehud Ahissar kartu su Marcin Szwed ir dr. Knarik Bagdasarian iš Weizmann mokslo instituto atrado, kad mechanoreceptoriai skirstomi į keletą funkcinių klasių. Viena grupė, kontaktiniai neuronai, reaguoja tik į kontaktinį judesį, nepriklausomai nuo to, ar ūsai liečia objektą. Kita grupė, kurią mokslininkai vadina liečiamaisiais neuronais, aktyvuojasi tik tada, kai ūsai šiek tiek sulinksta susilietę su išoriniu objektu; ūsų judėjimo metu ji lieka visiškai neaktyvi.
Kaip paaiškinta aukščiau, šis Ahissar komandos atradimas sukėlė mokslininkams mįslę: kaip neuronas gali reaguoti tik į vieną mechaninės informacijos tipą?
Naujasis tyrimas, kurį vadovavo magistrantas Taiga Muramoto, vadovaujamas Ebara, mokslininko, kuris daugiau nei prieš du dešimtmečius nubraižė ūsų folikulo žemėlapį, šį klausimą nagrinėjo naudodamas šiuolaikines priemones. Tyrimas buvo atliekamas bendradarbiaujant su Osakos universiteto profesoriaus Takahiro Furuta komanda ir Weizmann smegenų mokslų departamento Ahissar ir Bagdasarian.
Mokslininkai atrado, kad žiurkių ūsų folikulai turi visą rinkinį primityvių mechaninių mechanizmų: kolageno spyruokles, sluoksniuotus skyrius, membraninius tvirtinimus ir inercinius slopintuvus, kurie, matyt, buvo suformuoti natūralios atrankos būdu, kad atskirtų vidinį judesį nuo išorinio prisilietimo. Šie mechanizmai leidžia žiurkėms su nepaprasta tikslumu aptikti net pačius subtiliausius prisilietimus.
Komanda identifikavo apie 50 klubo formos mechanoreceptorių, esančių tarp šimtų receptorių, esančių kiekviename folikule, kurie yra specialiai sukurti aktyviam prisilietimui aptikti. Skanuojantis elektroninis mikroskopas parodė, kad šie receptoriai yra įterpti į kolageno turtingą struktūrą, kuri mechaniniu būdu izoliuoja juos nuo vibracijų, susidarančių plazdant.
Vienas iš labiausiai stebinančių atradimų buvo tai, kad ši kolageno struktūra veikia kaip miniatiūrinis pakabinamas svoris folikule. Kaip sunkus švytuoklis, kuris stabilizuoja pastatą esant stipriam vėjui, jo inercija slopina judesį, kurį sukelia šiaušimas, užtikrinant, kad receptoriai reaguotų tik į tikrą išorinį prisilietimą.
Mechanoreceptorių funkcija taip pat apibrėžiama jų unikalia vieta: jie visi yra vieno sluoksnio žiede netoli folikulo masės centro, arti svirties taško, aplink kurį sukasi ūsai. Šis atramos taškas juda labai mažai, todėl tai ideali vieta detektoriui, kuris turi likti nejudamas judėjimo metu. Susibūrę aplink šią mechaniniu požiūriu stabilią sritį, plaktuko formos receptoriai lieka neaktyvūs net tada, kai ūsai energingai juda ore, bet susilietę su objektu jie iškart aktyvuojasi.
Palyginimai su kitomis rūšimis rodo, kad gyvūnai, kurie nesinaudoja aktyviu ūsų judėjimu, neturi šių evoliucinių gudrybių. Pavyzdžiui, katėms klubo formos receptoriai yra laisvesnėje kolageno matricoje, kuri suteikia mažai mechaninės izoliacijos. Jie nėra išdėstyti vieno sluoksnio žiede, taip pat nėra apriboti folikulo masės centru ar apsaugoti pakabintu kolageno svoriu.
Kiekvienoje žiurkės snukio pusėje yra apie 35 judančius ūsų, kurie per šimtus mechanoreceptorių, esančių folikule, perduoda mechanosensorinę informaciją į smegenis.
Žiurkės yra aktyviausios tamsoje ir remiasi savo jautrių ūsų judesiais, kad galėtų tiksliai suvokti savo artimiausią aplinką. Kadangi jos neturi gerai išvystyto naktinio matymo, ūsų pagrįstas aptikimas yra gyvybiškai svarbus jų išlikimui“, – aiškina Ahissar.
Evoliucija sukūrė nepaprastą biomechanikos, audinių struktūros ir sensomotorinio apdorojimo konvergenciją, kad išspręstų šį pagrindinį aktyvios lytėjimo suvokimo iššūkį.
Profesoriaus Ehudo Ahissaro tyrimus remia Magnus Konow, pagerbdamas savo motiną Olgą Konow Rappaport.
