Kolibrier verkar vara ett under av natur och ingenjörskonst:en levande varelse som kan sväva nära en blomma med kirurgisk precision. Hur gör de detta?
Även om kolibriers flygmekanik har studerats väl, är mycket mindre känt om hur deras känselförnimmelse hjälper dessa små, energiska fåglar att smutta på nektar från en blomma utan att stöta på den. Det mesta av vad forskarna vet om hur beröring bearbetas i hjärnan kommer från studier på däggdjur, men fågelhjärnor skiljer sig mycket från däggdjurshjärnor.
UCLA-ledd forskning publicerad i Current Biology visar att kolibrier skapar en 3D-karta över sin kropp när nervceller på två specifika ställen i framhjärnan eldar — som luftbyar vidrör fjädrar på framkanten av deras vingar och huden på benen.
Receptorer på näbben, ansiktet och huvudet arbetar också för detta. Lufttryckets intensitet, påverkad av faktorer inklusive närhet till ett föremål, fångas upp av nervceller vid basen av fjädrarna och i benhuden och överförs till hjärnan, som mäter kroppens orientering i förhållande till ett föremål.
Zebrafinkar, som också studerats av forskarna, har samma allmänna organisation med något mindre känslighet i vissa områden än kolibrier, vilket tyder på att dessa områden hjälper till med högspecialiserad kolibriflygdynamik. Arbetet ökar kunskapen om hur djur uppfattar och navigerar i sina världar och kan hjälpa till att identifiera sätt att behandla dem mer humant.
Människor producerar en taktil karta över kroppen som går från tårna i mitten av hjärnan, ner till benen, ryggen och ett mycket större område som representerar beröring av ansikte och händer. Dessa områden, som används för berörings- och beröringsuppgifter, är förstorade i den mänskliga hjärnan.
"Hos däggdjur vet vi att beröring bearbetas över den yttre ytan av framhjärnan i cortex", säger Duncan Leitch, motsvarande författare och professor i integrativ biologi vid UCLA.
"Men fåglar har en hjärna utan skiktad cortexstruktur, så det var en vidöppen fråga hur beröring representeras i deras hjärnor. Vi visade exakt var olika typer av beröring aktiverar specifika neuroner i dessa regioner och hur beröring är organiserad i deras framhjärnor. ."
Tidigare studier där fåglar injicerades med färgämne visade att deras hjärnor har en region i framhjärnan för att behandla beröring av ansikte och huvud, och en för beröring någon annanstans på kroppen. Hos ugglor, till exempel, är beröringscentra som vanligtvis motsvarar ansiktsberöring enbart ägnade åt klor. Men eftersom kolibrier lever mycket annorlunda än ugglor, verkade det inte troligt att detta skulle gälla för dem.
Leitch och medförfattare vid Royal Veterinary College och University of British Columbia kunde observera neuroner som avfyras i realtid genom att placera elektroder på kolibrier och finkar, och röra dem försiktigt med bomullspinne eller luftpuffar. En dator förstärkte signalerna från elektroderna och omvandlade dem till ljud för enklare analys.
Experimenten bekräftade att beröring för huvudet och kroppen kartläggs i olika regioner av framhjärnan och visade för första gången att lufttrycket aktiverar specifika kluster av neuroner i dessa regioner. Undersökning av vingarna visade ett nätverk av nervceller som sannolikt skickade en signal till hjärnan när de aktiverades av luftpust på fjädrarna.
Forskarna hittade särskilt stora kluster av hjärnceller som reagerade på stimulering av vingkanterna, som de tror hjälper fåglarna att anpassa flygningen på ett nyanserat sätt. De upptäckte också att fötterna är akut känsliga för beröring och denna beröring hade en stor representation i hjärnan, förmodligen för att hjälpa till med sittande.
Forskarna spekulerar i att dessa områden kan vara ännu större hos papegojor och andra fåglar som använder sina fötter för att greppa och flytta föremål.
I sin studie identifierade forskarna mottagliga fält på fåglarna, där en beröring skulle få en neuron att skjuta. Hos kolibrier var några av dessa fält - särskilt på näbben, ansiktet och huvudet - mycket små, vilket betyder att de kunde känna den lättaste beröringen. Zebrafinkar hade samma men större mottagliga fält, vilket tyder på att dessa regioner hos finkar inte är lika känsliga och förmodligen av större relevans för kolibrier som är beroende av konstant, jämn precisionsflygning.
"Kolibrier reagerade ofta på de minsta trösklar vi kunde ge dem," sa Leitch.
Att lära sig mer om hur olika djur kartlägger beröring över sin kropp kan leda till framsteg inom teknologier som använder sensorer för att förflytta sig eller utföra en uppgift, såsom proteser eller autonoma enheter. Men förbättringar av djurens välbefinnande är kanske ett mer omedelbart resultat av forskningen.
"Om vi kan förstå hur djur uppfattar deras känsel, kan vi utveckla metoder som är mindre störande för dem," sa Leitch.
Mer information: Variationer i beröringsrepresentation i kolibri- och zebrafinks framhjärna, Current Biology (2024). DOI:10.1016/j.cub.2024.04.081. www.cell.com/current-biology/f … 0960-9822(24)00595-5
Journalinformation: Nuvarande biologi
Tillhandahålls av University of California, Los Angeles
