Когда вы входите в темную комнату, ваш первый инстинкт – нащупать выключатель света. Вы проводите рукой по стене, чувствуя переход от дверной коробки к окрашенному гипсокартону, а затем вверх и вниз, пока не найдете металлическую или пластиковую пластину переключателя. Во время этого процесса вы используете свое осязание, чтобы создать в уме изображение поверхности стены и лучше угадать, где находится переключатель.
Слиман Бенсмайя, доктор философии, доцент кафедры биологии организмов и анатомии Чикагского университета, изучает нейронные основы тактильного восприятия или то, как наши руки передают эту информацию в мозг. В новом исследовании, опубликованном в Journal of Neuroscience, он и его коллеги обнаружили, что время и частота вибраций, возникающих в коже, когда вы водите руками по поверхности, например, ищите в стене выключатель света, играют важную роль. как мы используем осязание для сбора информации об объектах и поверхностях вокруг нас.
Ощущение осязания традиционно рассматривалось в пространственных терминах, т.е.е. рецепторы в коже рассредоточены по некой сетке, и когда вы касаетесь чего-либо, эта сетка рецепторов передает информацию о поверхности в ваш мозг. В своем новом исследовании Бенсмайя, два бывших студента и доктор наук в его лаборатории – Мэтью Бест, Эмили Мацкявичус и Ханнес Зааль – обнаружили, что кожа также очень чувствительна к вибрациям, и что эти вибрации вызывают соответствующие колебания в афферентах. или нервы, которые передают информацию от рецепторов к мозгу. Точное время и частота этих нейронных реакций передают в мозг определенные сообщения о структуре, так же как частота вибрации барабанной перепонки передает информацию о звуке.
Нейроны общаются через электрические биты, аналогичные цифровым единицам и нулям, используемым компьютерами. Но, сказал Бенсмайя, "Один из больших вопросов нейробиологии заключается в том, имеет ли значение только количество битов или конкретная последовательность битов во времени также играет роль. В этой статье мы показываем, что последовательность битов во времени имеет значение, и на самом деле для некоторых рецепторов кожи время имеет значение с точностью до миллисекунды."
Исследователи годами знали, что эти афференты реагируют на колебания кожи, но они изучали их реакцию, используя так называемые синусоидальные волны, которые представляют собой плавные повторяющиеся узоры. Эти идеально однородные вибрации могут быть произведены в лаборатории, но вибрации, производимые кожей при прикосновении к поверхностям в реальном мире, беспорядочные и беспорядочные.
Ответы афферента на разные раздражители.
Для этого исследования Бенсмайя и его команда использовали вибрационный двигатель, который может производить любую сложную вибрацию, которую они хотят. В первом эксперименте они зарегистрировали афферентные реакции на различные частоты у макак-резусов, тактильная нервная система которых очень похожа на человеческую. Во второй части группа людей сообщила, насколько похожи или различаются две определенные частоты, когда датчик, прикрепленный к двигателю, касается их кожи.
Когда команда проанализировала данные, записанные на макаках-резус, они обнаружили, что не только нерв колебался с частотой колебаний, но они также могли предсказать, как люди будут воспринимать вибрации, на основе ответов нейронов на те же частоты в макаки.
"В этой статье мы показали, что время появления спайков, вызванных натуралистическими вибрациями, имеет значение не только для искусственных стимулов в лаборатории," Bensmaia сказал. "На самом деле это верно для стимулов, которые вы испытываете в повседневной жизни."
Это означает, что при определенной текстуре мы знаем частоту колебаний, которые она будет производить в коже, а затем и в нерве.
Другими словами, если бы вы знали частоту шелка, когда ваш палец проходит по нему, вы могли бы воспроизвести это ощущение, стимулируя нервы с той же частотой, даже не касаясь ткани.
Но это исследование является лишь частью продолжающегося исследования команды Бенсмайи по вопросу о том, как люди включают наше осязание в более сложные концепции, такие как текстура, форма и движение.
Когда-нибудь исследователи смогут использовать эту модель времени и частоты афферентных реакций для имитации ощущения текстуры человека с ампутированной конечностью "воспроизведение" вибрации, создаваемые протезом конечности, когда он исследует текстурированную поверхность, электрически стимулируя нерв на соответствующих частотах. Его также можно использовать для тактильного рендеринга или создания тактильного ощущения виртуального объекта на сенсорном экране (подумайте о том, чтобы превратить ваш iPad в устройство для чтения шрифта Брайля или управления роботизированной хирургией).
"Мы пытаемся построить теорию того, что заставляет вещи чувствовать то, что они чувствуют," Bensmaia сказал. "Это начало истории, которая действительно изменит то, как люди думают о соматосенсорной системе."