Zastanawiałeś się kiedyś, jak szczury potrafią bezbłędnie omijać przeszkody w totalnym mroku, biegając przy tym z zawrotną prędkością? Problem polega na tym, że ich własny, intensywny ruch powinien „zagłuszać” sygnały z otoczenia, ale dzięki niesamowitej inżynierii biologicznej ich mózg otrzymuje krystalicznie czysty obraz świata. Poznaj mechanizm, który jest tak precyzyjny, że naukowcy z Instytutu Weizmanna porównują go do zaawansowanych systemów stabilizacji w nowoczesnych wieżowcach.
Ponad dwie dekady temu badacze z Instytutu Nauk Weizmanna dokonali fascynującego odkrycia. W głębi mieszków włosowych szczurzych wąsów zidentyfikowali klasę neuronów sensorycznych o zachowaniu, które właściwie było wcześniej zupełnie nieznane. Podczas gdy wąsy stale poruszają się w powietrzu rytmicznym ruchem, neurony te pozostają w uśpieniu – aż do momentu, gdy wąs wejdzie w kontakt z obiektem. W tej samej chwili aktywują się one z oszałamiającą precyzją.
To zrodziło fundamentalne pytanie: jaka inżynieria biologiczna pozwala systemowi zmysłowemu ignorować ruch generowany przez samo zwierzę i odpowiadać wyłącznie na kontakt zewnętrzny? Nowe badanie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications oferuje rozwiązanie tej ewolucyjnej zagadki. W przeciwieństwie do zwykłych włosów, wąsy szczurów i innych gryzoni są głęboko osadzone w wyspecjalizowanych mieszkach pełnych mechanoreceptorów – grup neuronów wysyłających sygnały do mózgu.
Prawie w tym samym czasie, gdy prof. Satomi Ebara z Japonii mapowała strukturę mieszków, prof. Ehud Ahissar odkrył, że mechanoreceptory dzielą się na kilka klas funkcjonalnych. Jedna grupa, neurony kontaktu, reaguje na ruch bez względu na przeszkody. Jednak inna grupa, nazwana przez badaczy neuronami dotyku, aktywuje się wyłącznie wtedy, gdy wąsy lekko uginają się przy zetknięciu z obiektem zewnętrznym. Szczerze mówiąc, naukowcy przez lata zachodzili w głowę, jak pojedyncza komórka może tak skutecznie odfiltrować „szum” własnego ruchu.
Naukowcy odkryli, że mieszek włosowy szczura zawiera cały zestaw mechanizmów, które wyglądają jak wyjęte z podręcznika inżynierii: kolagenowe sprężyny, uwarstwione przedziały, kotwice membranowe i amortyzatory inercyjne. Wszystkie one zostały ukształtowane przez dobór naturalny, aby oddzielić ruch własny od dotyku zewnętrznego. Dzięki temu szczury wykrywają nawet najsubtelniejszy kontakt z nadzwyczajną wiernością.
Zespół zidentyfikował podtyp około 50 mechanoreceptorów w kształcie maczugi, które są ukryte wśród setek innych w każdym mieszku. Mikroskopia elektronowa wykazała, że te konkretne receptory są zatopione w strukturze bogatej w kolagen, która izoluje je mechanicznie od wibracji generowanych podczas machania wąsami. Co ciekawe, ta kolagenowa struktura działa jak miniaturowy ciężarek zawieszony wewnątrz mieszka.
Podobnie jak ciężkie wahadło, które stabilizuje budynek podczas silnych wiatrów, jego bezwładność tłumi ruch wywołany aktywnym „omiataniem” powietrza. Dzięki temu receptory reagują tylko na autentyczny dotyk. Dodatkowo, wszystkie te receptory znajdują się w punkcie obrotu wąsa. Ten punkt porusza się najmniej podczas ruchu, co czyni go idealnym miejscem dla detektora, który musi pozostać nieruchomy, aby precyzyjnie zbierać dane z otoczenia.
Porównania z innymi gatunkami pokazują, że zwierzęta, które nie polegają na tak aktywnym ruchu wąsów, po prostu nie posiadają tych ewolucyjnych trików. U kotów na przykład receptory tego typu są rozmieszczone znacznie luźniej i nie korzystają z tak zaawansowanej izolacji mechanicznej. Dla szczura sprawa jest jednak poważniejsza – każda strona pyszczka to około 35 ruchomych wąsów, które stanowią ich główne narzędzie przetrwania.
Ponieważ szczury są najbardziej aktywne w nocy i nie posiadają dobrze rozwiniętego wzroku, to właśnie te czułe wąsy pozwalają im „widzieć” otoczenie. Ewolucja stworzyła tu niesamowitą zbieżność biomechaniki i architektury tkanek, aby rozwiązać problem, który dla inżynierów budujących roboty wciąż jest ogromnym wyzwaniem.
