Активное вибриссное чувство

Вибриссы сыграли в эволюции млекопитающих не меньшую роль, чем теплокровность, живорождение или увеличение размеров коры головного мозга. Таково, во всяком случае, мнение профессора Тони Прескотта (Tony J. Prescott) из Шеффилдского университета (Department of Psychology, University of Sheffield). Вместе с коллегами из Великобритании, Италии и Словении он уже несколько лет исследует особенности вибриссосенсорики у разных видов животных.

Вибриссы — чувствительные подвижные волоски, особый сенсорный орган, который есть практически у всех млекопитающих, плацентарных и сумчатых. Даже у человека на верхней губе сохранились рудиментарные мускулы, с помощью которых он когда-то шевелил вибриссами. Многими органами чувств животные пользуются активно: не просто фиксируют поступающую в мозг зрительную, слуховую или тактильную информацию, а разглядывают заинтересовавший их предмет, целенаправленно обнюхивают, иногда ощупывают, замерев, вслушиваются в какие-то звуки. А как обстоят дела с вибриссами? Необходимый признак их активного использования — шевеление. По этому критерию млекопитающих можно разделить на три группы. У небольших грызунов, некоторых насекомоядных и сумчатых вибриссы двигаются часто и с большой скоростью. Крупные грызуны, некоторые хищники и зайцеобразные шевелят вибриссами время от времени, а у псовых, рукокрылых, копытных, высших приматов, китообразных и млекопитающих, лишенных зубов, например муравьедов, усы обычно находятся в покое.

Однако само по себе движение усов не доказывает, что животное с их помощью активно собирает информацию. Может быть, вибриссы дрожат непроизвольно, или грызун просто обмахивает ауру. Чтобы удостовериться в целенаправленном использовании чувствительных волосков, нужно убедиться, что животное действительно управляет их движениями, т.е. сравнить движения вибрисс и головы зверя в разных ситуациях с очевидной мотивацией поведения. Для этих экспериментов Тони Прескотт с коллегами выбрали представителей трех видов, активно шевелящих усами: крыс как наиболее изученный в этом отношении вид; домовых мышей, потому что они близкие родственницы крыс и явно ориентируются на местности с помощью вибрисс, но меньше размером; и серого короткохвостого опоссума. Первые опоссумы жили более 100 млн лет назад, и эта зверюшка может обладать чертами, присущими общему предку современных сумчатых и плацентарных млекопитающих.

Ученые помещали животных на арену, слабо подсвеченную снизу, и снимали на высокоскоростную камеру, как они исследуют пространство. Для анализа выбирали эпизоды, когда звери шевелили вибриссами в отсутствие внешнего раздражителя, находясь на гладком полу, и анализировали записи кадр за кадром.

Если объединить эти данные с полученными ранее, получается следующая картина. Представители всех трех видов при ходьбе шевелят усами: пучок вибрисс то сжимается, то расширяется в горизонтальной плоскости. Частота колебаний составляет 7-10 Гц у крыс, 9-13 — у мышей и 3-11 — у опоссумов. На эти колебания иногда накладывается вторичная гармоника, частота которой особенно высока у мышей. У них же самые размашистые движения: зверьки способны распушить свои усишки более чем на 102 градуса. Возможно, кинематика вибрисс зависит от скорости движения животных: мышь — самая быстрая из них.

Ускоренная съемка показала, что вибриссы у всех трех видов направлены в ту сторону, куда повернута голова животного. Когда крыса движется по прямой, ее усы ориентированы и движутся симметрично. На ровном полу голова животного опущена, чтобы вибриссы могли касаться поверхности. Если нужно исследовать стенку, то голова поднимается, позволяя вибриссить вертикальную поверхность. Когда что-то привлекает внимание крысы и она поворачивает голову, ее усы меняют свое положение несколько раньше — это своеобразный сигнал поворота. Так что вибриссы симметричны относительно предстоящего положения головы.

Обычно вибриссы у грызунов распушены, чтобы охватить максимальное пространство. Но, исследуя определенный объект, животные собирают их в пучок. Нащупав что-нибудь длинным волоском, крыса поворачивает голову так, чтобы можно было прикоснуться к предмету и короткими, расположенными вокруг рта и на подбородке. При контакте с боковой стенкой или предметом амплитуда движения волосков с одной стороны уменьшается, с другой — увеличивается, так как животные тянутся к объекту исследования вибриссами с противоположной стороны тела. При этом амплитуда и частота движения чувствительных волосков зависит от ситуации; например, когда нужно установить текстуру объекта, вибриссы двигаются одним способом, когда форму — другим. При контакте с неожиданным предметом усы замирают примерно на 15 миллисекунд, причем с нужной стороны.

Иными словами, все три вида животных явно контролируют усодвижение, активно исследуют заинтересовавший их предмет, при этом следят, чтобы количество контактирующих с объектом волосков было максимальным, а сила нажима — минимальна. Спрашивается, а зачем вообще вибриссами двигать? Торчат во все стороны, чувствуют что-то — и хорошо. По мнению профессора Прескотта, подвижные усы позволяют животным свободнее ориентироваться на местности и исследовать больший объем пространства, чем неподвижные, а также контролировать частоту и силу контактов с предметами. Активное вибриссное чувство — могучий усилитель возможностей маленького зверя, который вынужден в темноте передвигаться по пересеченной местности или лазить по деревьям. У относительно крупных животных, размером с нутрию, у которых голова находится достаточно высоко над землей, преимущества вибрисс сходят на нет.

Но именно такими, мелкими, ночными и древолазающими были первые млекопитающие. Судя по тому, что управляют своими усами не только мелкие грызуны, но и представители таких древних отрядов, как сумчатые и насекомоядные, активным пользователем вибрисс был, возможно, и общий предок всех млекопитающих, живший более 125 млн лет назад. Судя по строению мозга современного опоссума, для контроля за движением усов сильно развитая кора головного мозга не нужна, хотя система вибрисс мышевидных грызунов более сложна, чем у опоссумов. И раз активное вибриссное чувство возникло так рано, значит, оно действительно было жизненно важно для первых млекопитающих.

Дальнейшие исследования поведения, анатомии и нейрофизиологии вибрисс сумчатых могут пролить свет на то, как их использование повлияло на эволюцию мозга и тела млекопитающих и помогло им завоевать мир. Но Тони Прескотта интересует не только эволюционный аспект проблемы. Уже несколько лет он со своими сотрудниками конструирует роботов с искусственными усами. Эти роботы пригодились бы в условиях плохой видимости, например при поисково-спасательных работах, когда очень дымно и пыльно. Кроме того, эксперименты с этими роботами позволяют понять, как животные, включая человека, комбинируют движение с ощущением, чтобы действовать в этом мире осмысленно и эффективно.

Наталья Резник

Ben Mitchinson, Robyn A. Grant, Kendra Arkley, Vladan Rankov, Igor Perkon and Tony J. Prescott «Active vibrissal sensing in rodents and Marsu-pials». Philosophical Transactions of the Royal Society B (2011), 366, 3037-3048, doi:10.1098/ rstb.2011.0156