Wetenschap
Acute tastzin helpt kolibries dichtbij een bloem te zweven zonder er tegenaan te botsen, blijkt uit onderzoek
Kolibries lijken een wonder van natuur en techniek:een levend wezen dat met chirurgische precisie in de buurt van een bloem kan zweven. Hoe doen ze dit?
Hoewel de vliegmechanismen van kolibries goed zijn bestudeerd, is er veel minder bekend over hoe hun tastzin deze kleine, energieke vogels helpt nectar uit een bloem te drinken zonder er tegenaan te botsen. Het meeste van wat wetenschappers weten over hoe aanraking in de hersenen wordt verwerkt, komt uit onderzoeken bij zoogdieren, maar de hersenen van vogels zijn heel anders dan de hersenen van zoogdieren.
Door UCLA geleid onderzoek gepubliceerd in Current Biology laat zien dat kolibries een 3D-kaart van hun lichaam maken wanneer neuronen op twee specifieke plekken in de voorhersenen vuren, terwijl luchtstoten de veren op de voorrand van hun vleugels en de huid van hun benen raken.
Receptoren op hun snavel, gezicht en hoofd werken ook in de richting van dit doel. De intensiteit van de luchtdruk, beïnvloed door factoren zoals de nabijheid van een object, wordt opgepikt door zenuwcellen aan de basis van de veren en in de beenhuid en doorgegeven aan de hersenen, die de oriëntatie van het lichaam ten opzichte van een object meten.
Zebravinken, ook bestudeerd door de onderzoekers, hebben dezelfde algemene organisatie met iets minder gevoeligheid in sommige gebieden dan kolibries, wat erop wijst dat deze gebieden helpen bij de zeer gespecialiseerde vluchtdynamiek van kolibries. Het werk draagt bij aan de kennis over hoe dieren waarnemen en navigeren in hun wereld en kan manieren helpen identificeren om ze menselijker te behandelen.
Mensen produceren een tastbare kaart van het lichaam die zich uitstrekt van de tenen in het midden van de hersenen tot aan de benen, de rug en een veel groter gebied dat de aanraking van het gezicht en de handen vertegenwoordigt. Deze gebieden, die worden gebruikt voor aanraking en aanraaktaken, zijn in het menselijk brein vergroot.
"Bij zoogdieren weten we dat aanraking wordt verwerkt over het buitenoppervlak van de voorhersenen in de cortex", zegt Duncan Leitch, corresponderend auteur en hoogleraar integratieve biologie aan de UCLA.
"Maar vogels hebben hersenen zonder een gelaagde cortexstructuur, dus het was een wijd open vraag hoe aanraking in hun hersenen wordt weergegeven. We lieten precies zien waar verschillende soorten aanraking specifieke neuronen in deze regio's activeren en hoe aanraking in hun voorhersenen is georganiseerd. ."
Eerdere onderzoeken waarbij vogels met kleurstof werden geïnjecteerd, toonden aan dat hun hersenen één gebied in de voorhersenen hebben om aanrakingen met het gezicht en het hoofd te verwerken, en één voor aanraking ergens anders op het lichaam. Bij uilen zijn de aanrakingscentra die doorgaans overeenkomen met gezichtsaanraking bijvoorbeeld uitsluitend gewijd aan klauwen. Maar aangezien kolibries een heel ander leven leiden dan uilen, leek het niet waarschijnlijk dat dit voor hen zou gelden.
Leitch en co-auteurs van het Royal Veterinary College en de University of British Columbia konden neuronen in realtime observeren door elektroden op kolibries en vinken te plaatsen en ze zachtjes aan te raken met wattenstaafjes of luchtwolkjes. Een computer versterkte de signalen van de elektroden en zette ze om in geluid, zodat ze gemakkelijker konden worden geanalyseerd.
De experimenten bevestigden dat aanraking van hoofd en lichaam in verschillende delen van de voorhersenen in kaart wordt gebracht en toonden voor het eerst aan dat luchtdruk specifieke clusters van neuronen in deze gebieden activeert. Onderzoek van de vleugels toonde een netwerk van zenuwcellen aan die waarschijnlijk een signaal naar de hersenen stuurden wanneer ze werden geactiveerd door luchtstoten op de veren.
De onderzoekers vonden bijzonder grote clusters van hersencellen die reageerden op stimulatie van de randen van vleugels, wat volgens hen de vogels helpt de vlucht op een genuanceerde manier aan te passen. Ze ontdekten ook dat de voeten acuut gevoelig zijn voor aanraking en dat deze aanraking een grote vertegenwoordiging in de hersenen had, vermoedelijk om te helpen bij het zitten.
De onderzoekers speculeren dat deze gebieden zelfs nog groter kunnen zijn bij papegaaien en andere vogels die hun voeten gebruiken om voorwerpen vast te pakken en te verplaatsen.
In hun onderzoek identificeerden de onderzoekers receptieve velden bij de vogels, waarbij een aanraking een neuron zou triggeren om te vuren. Bij kolibries waren sommige van deze velden – vooral op de snavel, het gezicht en het hoofd – erg klein, wat betekent dat ze de lichtste aanraking konden voelen. Zebravinken hadden dezelfde maar grotere receptieve velden, wat erop wijst dat deze gebieden bij vinken niet zo gevoelig zijn en waarschijnlijk van groter belang zijn voor kolibries die afhankelijk zijn van een constante, gestage precisievlucht.
"Kolibries reageerden vaak op de kleinste drempel die we ze konden geven," zei Leitch.
Meer leren over hoe verschillende dieren aanrakingen over hun lichaam in kaart brengen, zou kunnen leiden tot vooruitgang in technologieën die sensoren gebruiken om zich te verplaatsen of een taak uit te voeren, zoals prothetische ledematen of autonome apparaten. Maar verbeteringen op het gebied van dierenwelzijn zijn wellicht een directer resultaat van het onderzoek.
"Als we kunnen begrijpen hoe dieren hun tastzin waarnemen, kunnen we praktijken ontwikkelen die minder storend voor hen zijn", aldus Leitch.