Les ingénieurs de la Northwestern University ont développé la première simulation dynamique complète en trois dimensions (3D) du système complet de moustaches d’un rat, offrant un aperçu rare et réaliste de la façon dont les rats obtiennent des informations tactiles.
Appelé WHISKiT, le nouveau modèle comprend 60 moustaches individuelles, chacune anatomiquement, spatialement et géométriquement correcte. La technologie pourrait aider les chercheurs à prédire comment les moustaches activent différentes cellules sensorielles pour influencer les signaux envoyés au cerveau et fournir de nouvelles informations sur la nature mystérieuse du toucher humain.
La recherche a été publiée la semaine dernière dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.
D’un simple coup de pinceau, les rats peuvent extraire des informations détaillées de leur environnement, notamment la distance, l’orientation, la forme et la texture d’un objet. Cette capacité aiguë rend le système sensoriel du rat idéal pour étudier la relation entre la mécanique (la moustache en mouvement) et les entrées sensorielles (signaux tactiles envoyés au cerveau).
Mais alors que le système des moustaches de rat est un système modèle simplifié largement utilisé en neurosciences sensorielles, il est difficile d’étudier le système nerveux d’un animal lorsqu’il se déplace pour interagir avec son environnement naturel.
« Nous ne pouvons pas mesurer les signaux à la base d’une vraie moustache de rat en utilisant la technologie actuelle car, dès que vous intégrez un capteur, il interfère avec les signaux eux-mêmes », a déclaré Mitra Hartmann de Northwestern, auteur principal de l’étude. « La seule façon de vraiment capturer un rat détectant activement son environnement dans des conditions naturelles est de le simuler. »
Avec le potentiel de surmonter ces défis, les simulations sont devenues une composante de plus en plus importante des neurosciences. En développant WHISKiT, les auteurs de l’étude disposent désormais du premier modèle complet d’entrée tactile dans un système sensoriel en mouvement, qui montre comment les rats « fouettent » activement et détectent passivement leurs environnements 3D complexes.
« Parce qu’aucune des moustaches individuelles ne fonctionne de manière isolée, WHISKiT est crucial pour comprendre comment le cerveau traite les informations sensorielles tactiles entrantes », a déclaré Nadina Zweifel, la première auteure de l’article. « C’est l’équivalent d’une « caméra » tactile qui peut capturer les signaux mécaniques qu’un animal peut acquérir en utilisant les moustaches pour interagir avec l’environnement. De cette façon, nous pensons que notre outil élargit considérablement le champ des possibilités d’études computationnelles et expérimentales dans le futur. »
Hartmann est professeur de génie biomédical et mécanique à la McCormick School of Engineering de Northwestern, où elle est membre du Center for Robotics and Biosystems et du programme interdépartemental de neurosciences de la Northwestern University. Zweifel est titulaire d’un doctorat. candidat au laboratoire Hartmann.
Pour développer le nouveau modèle WHISKiT, l’équipe de Northwestern a combiné plus d’une décennie de données expérimentales du laboratoire de Hartmann. Parce que chaque moustache est légèrement différente, son groupe a précédemment calculé la géométrie appropriée (y compris l’arc, le diamètre de base et la pente) pour les moustaches individuelles. Après avoir validé des modèles pour des moustaches individuelles, les chercheurs ont combiné les moustaches en un tableau complet.
Le modèle résultant considère la géométrie, la disposition spatiale et le mouvement des 60 moustaches (30 de chaque côté) sur le visage d’un rat. Chaque moustache est incrustée dans un follicule, où les signaux mécaniques sont générés à la base.
WHISKiT intègre également de nouvelles données collectées à partir de scans 3D que Zweifel a capturés des environnements naturels des rats, y compris dans les ruelles urbaines, autour des bennes à ordures et au niveau des conduites d’évacuation, dans les villes de Chicago et d’Evanston. Le modèle simule des rats dans ces milieux naturels (« fouettant » autour d’un tuyau d’évacuation, par exemple) ainsi qu’en laboratoire. Les chercheurs ont découvert que chaque scénario exploratoire typique génère un modèle unique de données.
« Les signaux tactiles associés à l’exploration d’un tuyau de vidange ou d’une benne à ordures compliqués sont très différents de ceux associés à l’exploration d’un mur blanc », a expliqué Hartmann.
Les chercheurs prévoient ensuite d’utiliser la simulation pour répondre à plusieurs questions de longue date, notamment comment les rats peuvent utiliser le toucher pour distinguer les objets fixes et mobiles et comment le fouettage actif se compare à la détection passive.
Source de l’histoire :
Matériaux fourni par Université du nord-ouest. Original écrit par Amanda Morris. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.
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