Оглянитесь вокруг. Что вас окружает? Какие бы ответы не последовали, их можно объединить одним словом — информация. Звуки, запахи, цвета, текстура предметов и даже температура помещения это совокупность данных об окружающей среде, которые безустанно собирают наши органы чувств. Каждый из них важен для получения общей картины мира, который нас окружает.

Одним из самых загадочных чувств является осязание, т.е. тактильное восприятие давления, вибрации, текстуры объекта или температуры. За это отвечает наша кожа, а точнее многочисленные рецепторы в верхних слоях дермы. Но вот у многих животных эти функции выполняют вибриссы, т.е. усы. Если у вас есть кот, то вы наверняка знаете, насколько чувствительны усы этого млекопитающего. Малейшее дуновение ветра или прикосновение вызывает ответную реакцию.

Ученые из Бристольского университета (Англия) решили рассмотреть, как именно работают вибриссы на примере крыс. Каковы механические свойства вибрисс, насколько они чувствительны, какие процессы протекают в момент их активации, и как полученные данные можно спроектировать на человека? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Когда ученые изучают зрение, они рассматривают не только глаза, нервы и мозг, но и сами изображения, которые мы видим. Другими словами, при изучении восприятия важно учитывать специфичные физические и химические свойства объектов сенсорики, а также их взаимодействие с самими сенсорами.

В случае с тактильными системами, выделяют трение, возникающее при движущемся механическом контакте сенсора (волос и кожи) и предмета, с которым он соприкасается. С точки зрения сенсорики трение это короткие и резкие движения («прилипание/скольжение» или просто «проскальзывание»), которые возникают из-за накопления и высвобождения энергии при деформациях упругих объектов на микроскопическом уровне.

Для человека основным инструментом восприятия трения является кожа. Но у грызунов, как и у многих других млекопитающих, эту функцию выполняют еще и вибриссы, т.е. усы, расположенные на морде. Вы могли неоднократно замечать, как коты обнюхивают какой-то предмет. Но для получения обонятельной информации нет необходимости находиться близко к объекту, учитывая острый нюх котов. Во время этого действа кот прикасается своими вибриссами к объекту, дабы собрать тактильную информацию в дополнение к обонятельной. Стоит отметить, что зрение котов не самое лучшее на малом расстоянии, потому вибриссы заполняют пробелы, образованные в визуальной информации, если интересующий объект слишком близко.

Как работают вибриссы котов.

У грызунов вибриссы имеют конусообразную форму, что придает им необычайную эластичность. Подвижность вибрисс также удивительна, а потому животное может «настраивать» их положение в зависимости от сложившейся ситуации.

Наблюдения за взаимодействием крыс и текстурированных объектов показали, что последовательности событий «прилипания/скольжения» позволяют получать значительный объем текстурной информации, а также информации о контексте, например скорость и расстояние до поверхности текстуры. Также было установлено повышение нейронной активности в дерме, во время контактов вибрисс и объекта.

Изучение биомеханических свойств вибрисс позволило ученым предположить, что решающими факторами стимуляции механорецепторов в фолликуле являются динамические переменные — сила и момент.

Проблема изучения вибрисс заключается в их кинематике. Посему ученые считают, что для понимания работы вибрисс важно выяснить, как кинематические переменные, относящиеся к кончикам усов, связаны с динамическими переменными. Кроме того, остается загадкой принцип механической передачи сигналов по усу от очень гибкого кончика к гораздо более жесткому фолликулу, где генерируются нейронные сигналы. Подходящим для этой задачи инструментом ученые называют математическое моделирование.

На данный момент механику усов изучают либо с помощью линейной теории пучков, либо с помощью квазистатического приближения эластики Эйлера (эластика Эйлера — искривленная форма, которую принимает стержень в момент потери устойчивости) с неоднородными осевыми свойствами. Данные методики позволяют определить частоты линейных колебаний вибрисс и квазистатические нелинейные деформации, такие как коробление, возникающие когда гибкий кончик уса находится в постоянном контакте с поверхностью. Однако эти методики не позволяют оценить динамические силы в момент передачи волн, проходящих от кончика вибриссы до фолликула.

В данном же труде ученые решили адаптировать модель эластики Эйлера, включив в нее быструю динамическую деформацию, когда усы находятся в контакте с поверхностью.