Wie das Gehirn reagiert auf textur

Unsere Hände und Fingerspitzen sind erstaunlich empfindlich auf textur. Wir können leicht unterscheiden grobem Schleifpapier aus glattem Glas, aber wir nehmen auch die mehr subtile Unterschiede, die in einer Vielzahl von Texturen, wie die slick Glanz der Seide oder die weiche geben der Baumwolle.

Informationen über textur übertragen von sensoren in der Haut und durch die Nerven zu den somatosensorischen Kortex, dem Teil des Gehirns, die für die Interpretation der Tastsinn. Neue Forschung von Neurowissenschaftler an der Universität von Chicago zeigt, dass die Neuronen in diesem Teil des Gehirns diese Informationen verarbeiten, jeder reagiert anders auf verschiedene Funktionen der Oberfläche, die Schaffung eines high-dimensionale Darstellung von Texturen in das Gehirn.

„Können Objekte Texturen haben, können wir beschreiben in einfachen Worten, wie rau oder weich oder hart. Sie können aber auch samtig oder cottony oder furry“, sagte Sliman Bensmaia, Ph. D., associate professor der organismischen Biologie und Anatomie an der UChicago und senior-Autor der Studie. „Die Vielfalt der verschiedenen Adjektive, die Sie verwenden können, um zu beschreiben, textur nur hervorgehoben, dass der es ist ein rich-sensorischen Raum. Also, macht es Sinn, dass Sie brauchen, um eine reiche neuronalen Raum im Gehirn zu interpretieren, dass auch.“

Die Studie wurde diese Woche veröffentlicht in der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Bensmaia ist ein führender Experte auf, wie das Gehirn und das Nervensystem zu interpretieren, der Tastsinn, einschließlich textur. In einer 2013 Studie von PNAS, die seinem Labor hat gezeigt, wie verschiedene Arten von Nervenfasern reagieren auf verschiedene Aspekte der textur. Einige Nerven reagieren vor allem auf räumliche Elemente der groben Struktur, wie die erhöhten Unebenheiten der Blindenschrift-Buchstaben, die ein Muster erzeugen, wenn Sie gedrückt gegen die Haut. Andere reagieren auf Vibrationen erstellt, wenn die Haut reibt sich über feine Texturen wie Stoffe, die für die überwiegende Mehrheit der Texturen, die wir in der realen Welt begegnen.

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In dieser Studie Bensmaia und Kollegen verwendet eine sich drehende Trommel, bedeckt mit Streifen von verschiedenen groben und feinen Texturen, wie Schleifpapier, Stoffe und Kunststoffe. Die Trommel lief dann die Texturen über die Fingerspitzen von Rhesus-Makaken, deren somatosensorische system ist ähnlich wie beim Menschen, während die Forscher filmten die Reaktionen in den Nerven.

Für die neue Studie, geführt von Postdoc-Stipendiat Justin Lieber, Ph. D., der Forscher erfasst die entsprechenden Reaktionen auf die gleichen Texturen direkt aus dem Gehirn, mit Elektroden implantiert, die über dem somatosensorischen Kortex des Affen.

Die neuen Daten zeigen, dass die Neuronen reagieren in einer höchst eigenwilligen Weise, um verschiedene Aspekte der textur. Einige Neuronen reagieren auf grobe Eigenschaften einer textur. Andere reagieren auf die feinen Gesichtszüge, bestimmte Muster der Einbuchtung in der Haut, oder eine beliebige Anzahl von Kombinationen dazwischen. Bensmaia und Lieber identifiziert mindestens 20 unterschiedliche Muster der Reaktion.

„Einige von Ihnen Karte auf Dinge, die wir verstehen, wie Rauheit oder die räumlichen Muster der textur,“ Bensmaia sagte. „Dann wird es aber Kombinationen von Haut-Schwingung gekoppelt mit Muster der Haut bei Deformationen, die Dinge, die Abstrakt sind und ein wenig schwieriger zu beschreiben.“

Aber diese mehr abstrakten Eigenschaften der textur sind, was kann den Unterschied machen in der Lage sein, zu unterscheiden zwischen Bettwäsche mit verschiedenen Threads zählt. Die Forscher ermittelten Antworten auf die 55 verschiedenen Texturen und Bensmaia sagt, er kann sagen, welcher verwendet wurde, einfach durch einen Blick auf das Muster der Aktivität, die er erzeugt im Gehirn.

„Velvet wird zur Anregung einer subpopulation von Neuronen, die mehr als die anderen und Schleifpapier wird excite anderen überlappenden Bevölkerung“, sagte er. „Also, es ist diese Vielfalt, die in der Reaktion, der es ermöglicht, den Reichtum der Empfindung.“

Bensmaia und Nicho Marina Hatsopoulos, Ph. D., professor der organismischen Biologie und Anatomie, der die Studien, wie das Gehirn leitet die Bewegung der Gliedmaßen, haben auch Pionierarbeit geleistet Forschung Gehirn gesteuerten Roboter-Prothesen. Diese Geräte arbeiten durch Implantation von arrays von Elektroden in den somatosensorischen Kortex und die Bereiche des Gehirns, die Kontrolle der Bewegung. Die Elektroden pick-up-Aktivität in Neuronen, wie der patient denkt über eine Verlagerung Ihrer eigenen arm zu lenken den Roboterarm zu bewegen sich entsprechend mit. Die prothetische hand ist ausgestattet mit sensoren zum erkennen von Empfindungen der Berührung, wie durch drücken auf die einzelnen Fingerspitzen, die wiederum erzeugt elektrische Signale, die die entsprechenden Bereiche des Gehirns.

Theoretisch, die gleichen Techniken neu könnte die Empfindung der textur, die durch eine neuroprosthetic, aber Bensmaia weist darauf hin, dass die neue Studie zeigt, warum dies könnte eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Neuronen, die entsprechen auf jeder Fingerkuppe befinden sich in klar definierte Bereiche des somatosensorischen Kortex, so dass es einfacher zu stimulieren, die entsprechende Stelle für einen bestimmten touch. Aber Neuronen in der gesamten somatosensorischen cortex reagieren auf textur-Eingänge, und Sie sind miteinander vermischt. Es gibt keine definierte region von Neuronen, die reagieren auf Schleifpapier oder die Kunststoff-Tastatur von einem laptop zum Beispiel.