Колибри кажутся чудом природы и техники: живым существом, которое может с хирургической точностью парить возле цветка. Как они это делают? Хотя механика полета колибри хорошо изучена, гораздо меньше известно о том, как их чувство осязания помогает этим крошечным, энергичным птицам пить нектар из цветка, не натыкаясь на него. Большая часть того, что ученые знают о том, как мозг обрабатывает прикосновения, получена из исследований на млекопитающих, но мозг птиц сильно отличается от мозга млекопитающих.
Исследование, проведенное Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе, опубликованное в журнале Current Biology, показывает, что колибри создают трехмерную карту своего тела, когда нейроны в двух конкретных точках переднего мозга срабатывают — когда порывы воздуха касаются перьев на переднем крае их крыльев и кожи ног.
Рецепторы на их клюве, лице и голове также работают в этом направлении. Интенсивность давления воздуха, на которую влияют такие факторы, как близость к объекту, улавливается нервными клетками у основания перьев и кожи ног и передается в мозг, который измеряет ориентацию тела относительно объекта.
Зебровые зяблики, также изучаемые исследователями, имеют такую же общую организацию, но в некоторых областях немного меньшую чувствительность, чем колибри, что позволяет предположить, что эти области помогают колибри в узкоспециализированной динамике полета. Эта работа расширяет знания о том, как животные воспринимают и ориентируются в своем мире, и может помочь определить способы более гуманного обращения с ними.
Люди создают тактильную карту тела, которая простирается от пальцев ног в центре мозга до ног, спины и гораздо большей области, представляющей прикосновение к лицу и рукам. Эти области, используемые для прикосновений и сенсорных задач, в человеческом мозге увеличены.
«Мы знаем, что у млекопитающих прикосновение обрабатывается на внешней поверхности переднего мозга в коре», — сказал Дункан Лейтч, автор-корреспондент и профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Но мозг птиц не имеет многослойной структуры коры, поэтому вопрос о том, как прикосновение представлено в их мозге, оставался широко открытым. Мы показали, где именно различные виды прикосновения активируют определенные нейроны в этих областях и как прикосновение организовано в их переднем мозге».
Предыдущие исследования, в которых птицам вводили краситель, показали, что в их мозгу есть одна область в переднем мозге, отвечающая за обработку прикосновений к лицу и голове, и другая, отвечающая за прикосновения к любым другим частям тела. Например, у сов сенсорные центры, которые обычно соответствуют прикосновениям к морде, сосредоточены исключительно в когтях. Но поскольку колибри живут совсем другой жизнью, чем совы, маловероятно, что это будет справедливо и для них.
Лейтч и соавторы из Королевского ветеринарного колледжа и Университета Британской Колумбии смогли наблюдать активацию нейронов в реальном времени, помещая электроды на колибри и зябликов и осторожно прикасаясь к ним ватными тампонами или порывами воздуха. Компьютер усиливал сигналы с электродов и преобразовывал их в звук для облегчения анализа.
Эксперименты подтвердили, что прикосновения к голове и телу наблюдаются в разных областях переднего мозга, и впервые показали, что давление воздуха активирует определенные кластеры нейронов в этих областях. Исследование крыльев выявило сеть нервных клеток, которые, вероятно, посылали сигнал в мозг при активации потоками воздуха на перьях.
Исследователи обнаружили особенно большие скопления клеток головного мозга, которые реагировали на стимуляцию краев крыльев, что, по их мнению, помогает птицам тонко корректировать полет. Они также обнаружили, что ступни очень чувствительны к прикосновениям, и это прикосновение оказывает большое влияние на мозг, предположительно, помогая им садиться.
Исследователи предполагают, что эти области могут быть еще больше у попугаев и других птиц, которые используют свои ноги, чтобы хватать и перемещать предметы.
В своем исследовании исследователи выявили у птиц рецептивные поля, прикосновение к которым запускало нейрон. У колибри некоторые из этих полей, особенно на клюве, лице и голове, были очень маленькими, а это означало, что они могли ощутить самое легкое прикосновение. У зебровых амадин были такие же, но более крупные рецептивные поля, что позволяет предположить, что эти области у вьюрков не столь чувствительны и, вероятно, имеют большее значение для колибри, которые полагаются на постоянный, устойчивый и точный полет.
«Колибри часто реагировали на малейшие пороговые значения, которые мы могли им задать», — сказал Лейтч.
Узнав больше о том, как разнообразные животные отображают прикосновения по своему телу, можно привести к развитию технологий, использующих датчики для передвижения или выполнения задач, таких как протезы конечностей или автономные устройства. Но улучшение условий содержания животных, возможно, является более непосредственным результатом исследования.
«Если мы сможем понять, как животные воспринимают свое осязание, мы сможем разработать методы, которые будут их меньше беспокоить», — сказал Лейтч.
