Paměť v kontaktu: Konečky prstů si pamatují minulé síly

souhrn: Vědci zkoumali, jak mechanická paměť předchozích sil na konečku prstu ovlivňuje aktivitu hmatových neuronů.

Studie odhaluje důležitost viskoelasticity konečků prstů, protože deformace přetrvávají déle než použitá síla a ovlivňují informace zasílané do mozku. To naznačuje, že náš mozek přijímá údaje o aktuální síle a „paměti“ předchozích sil.

Zjištění otevírají dveře porozumění ručnímu ovládání v každodenních úkolech a dotykových akcích.

Klíčová fakta:

1. Viskoelastická povaha konečků prstů znamená, že deformace způsobené silami trvají déle než skutečná síla, což ovlivňuje informace, které jsou přenášeny do mozku hmatovými neurony.
2. Pomocí robotů k napodobení interakcí přírodních objektů vědci pozorovali nervové reakce různých typů neuronů (FA-1, SA-1 a SA-2) na různé síly.
3. Studie nalezla různé reakce v hmatových neuronech, což naznačuje, že přenášejí bohaté informace o viskoelastickém stavu konečků prstů a uchovávají „vzpomínku“ na minulé interakce.

zdroj: eLife

Vědci podrobně popsali, jak je aktivita hmatových neuronů ve špičce prstu v reakci na aplikovanou sílu ovlivněna mechanickou pamětí předchozích sil na špičce prstu.

Studie zveřejněná dnes jako eLife Revidovaná předběžná verze poskytuje to, co editoři nazývají klíčovými zjištěními o tom, jak viskoelasticita konečku prstu – jeho časově závislá mechanická odezva na aplikovanou sílu – ovlivňuje informace přenášené hmatovými neurony do mozku.

Výsledky potvrzují, že tyto neurony signalizují aktuální sílu prstu a viskoelastickou paměť prstu pro předchozí zatížení. Hmatové informace o nedávném fyzickém stavu pokožky mohou mozku pomoci formulovat jemné motorické příkazy pro ovládání rukou při manipulaci s hmatovými předměty a úkoly.

Každodenní úkoly, které provádíme rukama, jako je vaření, čištění nebo uchopování a přemisťování předmětů, vyžadují přesné a rychlé působení sil na vnější předměty.

K efektivnímu plnění těchto úkolů se mozek spoléhá na informace o silách působících na konečky prstů, které poskytují hmatové neurony. Tyto neurony však přímo nesignalizují síly spojení; Spíše přenáší informace o deformacích, ke kterým v kůži dochází vlivem působící síly.

„Viskoelasticita konečků lidských prstů znamená, že jakákoli deformace způsobená silou působící na konečky prstů trvá déle než síla samotná,“ vysvětluje hlavní autor Hans Sall, docent na katedře psychologie na University of Sheffield ve Velké Británii.

Zbytková zkreslení způsobená předchozími silami tedy ovlivní, jak koneček prstu mechanicky reaguje, když je vystaven nové síle. Nicméně rozsah, v jakém tato fyzická paměť ovlivňuje signalizaci hmatových neuronů při běžném používání rukou, není dobře pochopen.

Aby prozkoumali, Sale a kolegové zkoumali, jak předchozí síly prstů ovlivňují reakce hmatových neuronů prvního řádu, když jsou aplikovány nové síly. Použili speciálně navrženého robota ke stimulaci konečku prstu silami, které napodobují ty, s nimiž se běžně setkáváme při interakci s přírodními objekty.

Zaznamenali impulsní odezvy téměř 200 jednotlivých neuronů pomocí speciálně navržených elektrod vložených do periferních nervů lidských dobrovolníků. Neurony byly klasifikovány jako rychle adaptivní typ 1 (FA-1), rychle adaptivní typ 1 (SA-1) a rychle adaptivní typ 2 (SA-2).

Síly byly aplikovány v různých směrech na špičku prstu v rychlém sledu. Porovnáním deformace konečků prstů a nervových reakcí vyvolaných v sekvencích stimulů, kde pořadí směru stimulů zůstalo konstantní, se sekvencemi, kde se pořadí systematicky měnilo, tým analyzoval účinky předchozího silového stimulu na reakce na následující stimul.

Nejprve pozorovali, že změna data zatížení vedla k většímu rozptylu v deformaci konečku prstu, což potvrdilo viskoelastickou paměť konečku prstu. Poté zkoumali, zda se tento zvýšený rozptyl v deformaci odráží v neuronových odpovědích.

Výzkumníci zjistili, že rychlost střelby během silových aplikací vykazovala téměř dvakrát větší rozptyl v neuronech FA-1 a SA-1 a téměř o 70 % větší rozptyl v neuronech SA-2, když se směrové pořadí měnilo ve srovnání se statickým pořadím.

To ukazuje, že viskoelastická paměť konečků prstů ovlivnila reakce hmatových neuronů. Rozdíl ve velikosti účinku mezi typy neuronů by mohl pramenit z toho, že neurony typu I primárně snímají mechanické děje v povrchových strukturách kůže, zatímco neurony typu II primárně snímají stavy napětí v hlubších tkáních.

Dále tým zkoumal, zda by zvýšená variabilita neurální reakce mohla souviset s viskoelastickou pamětí konečků prstů. Za tímto účelem měřili informace přenášené do mozku o směru síly, současné i minulé.

Zjistili, že informace o směru síly proudu se snížily, když se předchozí podnět systematicky měnil ve srovnání s tím, kdy byl konstantní. Zajímavé je, že také pozorovali velkou rozmanitost v chování jednotlivých neuronů v rámci každého druhu: zatímco některé neurony primárně signalizují informaci o směru aktuální síly, jiné indikují současný a minulý směr a některé primárně indikují směr předchozí.

Navíc zjistili, že neurony SA-2, z nichž mnohé jsou aktivovány i bez vnější stimulace, mohou přenášet informace o stavu viskoelastické deformace v konečku prstu i mezi zatíženími konečky prstů.

Tato rozmanitost odpovědí naznačuje, že hmatové neurony prvního řádu společně přenášejí bohaté informace o viskoelastickém stavu konečků prstů do mozku a obsahují v sobě vzpomínku na minulý podnět.

„Velmi mě přitahuje myšlenka, že jednou z funkcí neuronů SA-2 by mohlo být signalizovat celkový viskoelastický stav konečků prstů, což by mohlo umožnit přesnější interpretaci neuronového vstupu než u prvního druhu.“

Autoři poznamenávají, že nebylo systematicky zkoumáno, zda účinky viskoelasticity na hmatové snímání ovlivňují výkon při manuálních úkolech, takže zůstává nejasné, zda viskoelasticita může omezovat výkon, nebo zda mozek využívá neurální informace. Někdy o minulých podnětech. kapacita.

Kromě toho, jak bylo navrženo ve veřejném hodnocení eLife, studie by mohla těžit z přímějšího zkoumání souvislosti mezi deformací kůže a neuronálním pálením, což je aspekt, který autoři v současné době řeší.

„Naše zjištění naznačují, že populace taktilních neuronů poskytují mozku nepřetržitý proud informací o stavu viskoelastické deformace na špičce prstu,“ uzavírá hlavní autor Roland Johansson, profesor na katedře integrativní a lékařské biologie, Umeå University, Švédsko.

„Je pravděpodobné, že mozek může tyto informace použít k odhadu stavu konečků prstů při plánování a vyhodnocování dotykových akcí. Zkoumání této myšlenky v budoucím výzkumu má zajímavý potenciál.“

O novinkách ve výzkumu hmatové paměti

autor: Emily Packerová
zdroj: eLife
sdělení: Emily Packer – eLife
obrázek: Obrázek připsán Neuroscience News

Původní vyhledávání: otevřený přístup.
„Paměť na dosah ruky: Jak viskoelasticita ovlivňuje signalizaci taktilních neuronůNapsal Hans Sa et al. eLife

shrnutí

Paměť na dosah ruky: Jak viskoelasticita ovlivňuje signalizaci taktilních neuronů

Lidská kůže a její spodní tkáně tvoří viskoelastické médium, což znamená, že jakákoli deformace závisí nejen na aktuálně působící síle, ale také na nedávné historii zatížení. Míra, do jaké tato somatická paměť ovlivňuje signalizaci taktilních neuronů prvního řádu během přirozeného používání rukou, není dobře známa.

Zde jsme zkoumali účinek předběžného zatížení na reakce rychle adaptivních (FA-1) a pomalu adaptivních (SA-1 a SA-2) taktilních neuronů inervujících špičku lidského prstu na zatížení aplikované v různých směrech. úkoly zpracování objektů.

Zjistili jsme, že rozdíl v předpětí ovlivňuje celkový signál směru síly neuronu. Některé neurony nadále signalizovaly aktuální směr, zatímco jiné indikovaly současný směr a předchozí směr, nebo dokonce předchozí směr na prvním místě.

Kromě toho kontinuální impulsní aktivita v SA-2 neuronech mezi zatíženími indikuje informaci o stavu viskoelastické deformace v konečku prstu mezi zatíženími.

Došli jsme k závěru, že taktilní neurony na úrovni populace hlásí nepřetržité informace o stavu viskoelastické deformace konečku prstu, který je utvářen jeho nedávnou historií a současným zatížením.

Tyto informace mohou být dostatečné pro mozek, aby správně interpretoval aktuální silové zatížení a pomohl vypočítat příkazy jemné motoriky pro interakce s objekty při hmatovém zpracování a úkolech.