Zusammenfassung: Forscher haben untersucht, wie sich das mechanische Gedächtnis früherer Kräfte an der Fingerspitze auf die Aktivität taktiler Neuronen auswirkt.
Die Studie verdeutlicht die Bedeutung der Viskoelastizität der Fingerspitzen, da Verformungen länger anhalten als die ausgeübte Kraft, was sich auf die an das Gehirn gesendeten Informationen auswirkt. Dies bedeutet, dass unser Gehirn die Daten der aktuellen Stärke und die „Erinnerung“ an die vorherigen Kräfte erhält.
Die Ergebnisse öffnen die Türen zu einem Verständnis der manuellen Steuerung bei alltäglichen Aufgaben und berührungsbasierten Aktionen.
Wichtige Fakten:
- Die viskoelastische Beschaffenheit der Fingerspitzen bedeutet, dass Verformungen durch die Kräfte länger anhalten als die tatsächliche Kraft, was sich auf die Informationen auswirkt, die von taktilen Neuronen an das Gehirn übertragen werden.
- Mithilfe der Roboter zur Nachahmung der Interaktionen natürlicher Objekte beobachteten die Forscher die neuronalen Reaktionen verschiedener Arten von Neuronen (FA-1, SA-1 und SA-2) auf verschiedene Kräfte.
- Die Studie fand unterschiedliche Reaktionen in taktilen Neuronen, was darauf hindeutet, dass sie umfangreiche Informationen über den viskoelastischen Zustand der Fingerspitzen übermitteln und eine „Erinnerung“ an vergangene Interaktionen besitzen.
Quelle: eLife
Wissenschaftler haben detailliert beschrieben, wie die Aktivität taktiler Neuronen in der Fingerspitze als Reaktion auf eine ausgeübte Kraft durch das mechanische Gedächtnis früherer Kräfte an der Fingerspitze beeinflusst wird.
Die heute veröffentlichte Studie als eLife Die überarbeitete vorläufige Version liefert, wie die Herausgeber es nennen, wichtige Erkenntnisse darüber, wie sich die Viskoelastizität einer Fingerspitze – ihre zeitabhängige mechanische Reaktion auf eine ausgeübte Kraft – auf Informationen auswirkt, die von taktilen Neuronen an das Gehirn übermittelt werden.
Die Ergebnisse bestätigen, dass diese Neuronen die aktuelle Fingerkraft und das viskoelastische Gedächtnis des Fingers für frühere Belastungen signalisieren. Taktile Informationen über den aktuellen physischen Zustand der Haut können dem Gehirn helfen, feinmotorische Befehle zu formulieren, um die Hände beim Umgang mit taktilen Objekten und Aufgaben zu steuern.
Alltägliche Aufgaben, die wir mit unseren Händen ausführen, wie zum Beispiel Kochen, Putzen oder das Greifen und Bewegen von Gegenständen, erfordern eine präzise und schnelle Krafteinwirkung auf äußere Gegenstände.
Um diese Aufgaben effektiv zu erfüllen, ist das Gehirn auf Informationen über die auf die Fingerspitzen wirkenden Kräfte angewiesen, die von taktilen Neuronen bereitgestellt werden. Diese Neuronen signalisieren jedoch nicht direkt die Verbindungskräfte; Vielmehr übermittelt es Informationen über Verformungen, die in der Haut aufgrund der ausgeübten Kraft auftreten.
„Die Viskoelastizität menschlicher Fingerspitzen bedeutet, dass jede Verformung, die durch eine auf die Fingerspitzen einwirkende Kraft verursacht wird, länger anhält als die Kraft selbst“, erklärt Hauptautor Hans Sall, Dozent am Institut für Psychologie der Universität Sheffield, Großbritannien.
Daher wirken sich verbleibende Verformungen früherer Kräfte darauf aus, wie die Fingerspitze mechanisch reagiert, wenn sie einer neuen Kraft ausgesetzt wird. Allerdings ist nicht genau geklärt, inwieweit dieses physische Gedächtnis die Signalübertragung taktiler Neuronen während des normalen Handgebrauchs beeinflusst.
Um dies zu untersuchen, untersuchten Sale und Kollegen, wie sich vorherige Fingerkräfte auf die Reaktionen von taktilen Neuronen erster Ordnung auswirken, wenn neue Kräfte angewendet werden. Sie nutzten einen speziell entwickelten Roboter, um eine Fingerspitze mit Kräften zu stimulieren, die denen nachahmen, die normalerweise bei der Interaktion mit natürlichen Objekten auftreten.
Sie zeichneten die Impulsantworten von fast 200 einzelnen Neuronen auf, indem sie speziell entwickelte Elektroden verwendeten, die in die peripheren Nerven menschlicher Freiwilliger eingeführt wurden. Neuronen wurden als schnell adaptiver Typ 1 (FA-1), schnell adaptiver Typ 1 (SA-1) und schnell adaptiver Typ 2 (SA-2) klassifiziert.
Auf die Fingerspitze wurden in schneller Folge Kräfte in verschiedene Richtungen ausgeübt. Durch den Vergleich der Fingerspitzenverformung und der neuronalen Reaktionen, die in Reizsequenzen hervorgerufen wurden, bei denen die Richtungsreihenfolge der Reize konstant blieb, mit Sequenzen, bei denen die Reihenfolge systematisch variiert wurde, analysierte das Team die Auswirkungen des vorherigen Kraftreizes auf die Reaktionen auf den nachfolgenden Reiz.
Zunächst beobachteten sie, dass eine Änderung des Belastungsdatums zu einer größeren Varianz bei der Verformung der Fingerspitze führte, was das viskoelastische Gedächtnis der Fingerspitze bestätigte. Anschließend untersuchten sie, ob sich diese erhöhte Varianz der Deformation in neuronalen Reaktionen widerspiegelte.
Die Forscher fanden heraus, dass die Feuerraten während Krafteinwirkungen bei FA-1- und SA-1-Neuronen eine fast doppelt so große Varianz und bei SA-2-Neuronen eine fast 70 % größere Varianz aufwiesen, wenn die Richtungsreihenfolge im Vergleich zur statischen Reihenfolge variiert wurde.
Dies weist darauf hin, dass das viskoelastische Gedächtnis der Fingerspitzen die Reaktionen taktiler Neuronen beeinflusst. Der Unterschied in der Wirkungsstärke zwischen Neuronentypen könnte darauf zurückzuführen sein, dass Neuronen vom Typ I hauptsächlich mechanische Ereignisse in oberflächlichen Strukturen der Haut wahrnehmen, während Neuronen vom Typ II hauptsächlich Spannungszustände in tieferen Geweben wahrnehmen.
Als nächstes untersuchte das Team, ob die erhöhte Variabilität der neuronalen Reaktion mit dem viskoelastischen Gedächtnis der Fingerspitzen zusammenhängen könnte. Zu diesem Zweck maßen sie die Informationen, die an das Gehirn über die aktuelle und vergangene Kraftrichtung übermittelt werden.
Sie fanden heraus, dass die Informationen über die Richtung der Stromstärke abnahmen, wenn der vorherige Reiz systematisch variiert wurde, im Vergleich zu einem konstanten Zustand. Interessanterweise beobachteten sie auch eine große Vielfalt im Verhalten einzelner Neuronen innerhalb jeder Art: Während einige Neuronen hauptsächlich Informationen über die Richtung der aktuellen Kraft signalisieren, zeigen andere die aktuelle und vergangene Richtung an und wieder andere geben hauptsächlich die Richtung der vorherigen an.
Darüber hinaus entdeckten sie, dass SA-2-Neuronen, von denen viele auch ohne äußere Stimulation aktiviert werden, Informationen über den Zustand der viskoelastischen Verformung in der Fingerspitze auch zwischen Belastungen der Fingerspitze übermitteln können.
Diese Vielfalt an Reaktionen weist darauf hin, dass taktile Neuronen erster Ordnung zusammengenommen umfangreiche Informationen über den viskoelastischen Zustand der Fingerspitzen an das Gehirn übermitteln und in sich eine Erinnerung an den vergangenen Reiz enthalten.
„Mich fasziniert die Idee sehr, dass eine der Funktionen von SA-2-Neuronen darin bestehen könnte, den gesamten viskoelastischen Zustand der Fingerspitzen zu signalisieren, was eine genauere Interpretation neuronaler Eingaben ermöglichen könnte als die erste Art.“
Die Autoren stellen fest, dass es keine systematische Untersuchung darüber gibt, ob sich die Auswirkungen der Viskoelastizität auf die Tastwahrnehmung auf die Leistung bei manuellen Aufgaben auswirken. Es bleibt daher unklar, ob die Viskoelastizität die Leistung einschränken kann oder ob das Gehirn neuronale Informationen verwendet. Manchmal über vergangene Reize. Kapazität.
Darüber hinaus könnte die Studie, wie in der öffentlichen Rezension von eLife angedeutet, von einer direkteren Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Hautverformung und neuronalem Feuern profitieren, einem Aspekt, mit dem sich die Autoren derzeit befassen.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass taktile neuronale Populationen dem Gehirn einen kontinuierlichen Informationsfluss über den Zustand der viskoelastischen Verformung an der Fingerspitze liefern“, schlussfolgert Hauptautor Roland Johansson, Professor in der Abteilung für Integrative und Medizinische Biologie der Universität Umeå, Schweden.
„Es ist plausibel, dass das Gehirn diese Informationen nutzen könnte, um den Zustand der Fingerspitzen abzuschätzen und gleichzeitig berührungsbasierte Aktionen zu planen und zu bewerten. Die Untersuchung dieser Idee in zukünftigen Forschungen birgt interessantes Potenzial.“
Über Neuigkeiten aus der Forschung zum taktilen Gedächtnis
Autor: Emily Packer
Quelle: eLife
Kommunikation: Emily Packer – eLife
Bild: Bildquelle: Neuroscience News
Ursprüngliche Suche: offener Zugang.
„Gedächtnis auf Knopfdruck: Wie Viskoelastizität die Signalübertragung taktiler Neuronen beeinflusstGeschrieben von Hans Sa et al. eLife
eine Zusammenfassung
Gedächtnis auf Knopfdruck: Wie Viskoelastizität die Signalübertragung taktiler Neuronen beeinflusst
Die menschliche Haut und das darunter liegende Gewebe bilden ein viskoelastisches Medium, was bedeutet, dass jede Verformung nicht nur von der aktuell ausgeübten Kraft, sondern auch von der jüngsten Belastungshistorie abhängt. Inwieweit dieses somatische Gedächtnis die Signalübertragung taktiler Neuronen erster Ordnung während des natürlichen Handgebrauchs beeinflusst, ist nicht genau geklärt.
Hier untersuchten wir die Auswirkung der Vorbelastung auf die Reaktionen schnell adaptiver (FA-1) und langsam adaptiver (SA-1 und SA-2) taktiler Neuronen, die die menschliche Fingerspitze auf in verschiedene Richtungen ausgeübte Belastungen innervieren. Objektverarbeitungsaufgaben.
Wir fanden heraus, dass der Unterschied in der Vorspannung das Gesamtsignal der Kraftrichtung des Neurons beeinflusst. Einige Neuronen signalisierten weiterhin die aktuelle Richtung, während andere die aktuelle Richtung und die vorherige Richtung oder überhaupt die vorherige Richtung anzeigten.
Darüber hinaus gibt die kontinuierliche Impulsaktivität in SA-2-Neuronen zwischen den Belastungen Aufschluss über den Zustand der viskoelastischen Verformung in der Fingerspitze zwischen den Belastungen.
Wir kommen zu dem Schluss, dass taktile Neuronen auf Bevölkerungsebene kontinuierlich Informationen über den viskoelastischen Verformungszustand der Fingerspitze liefern, der durch ihre jüngste Geschichte und aktuelle Belastung geprägt ist.
Diese Informationen können für das Gehirn ausreichend sein, um die aktuelle Kraftbelastung richtig zu interpretieren und dabei zu helfen, feinmotorische Befehle für Interaktionen mit Objekten bei taktilen Verarbeitungen und Aufgaben zu berechnen.
