Weizmann Instituut: onze onderzoekers samen met Japanse onderzoekers onthullen een technisch hoogstandje in de snorharen van ratten

Van links naar rechts Taiga Muramoto, prof. Satomi Ebara en prof. Takahiro Furuta. Foto Weizmann Instituut

Meer dan twintig jaar geleden deden onderzoekers van het Weizmann Instituut voor Wetenschap een intrigerende ontdekking. Diep in de snorhaarfollikels van ratten identificeerden ze een klasse sensorische neuronen die zich anders gedroegen dan alles wat destijds bekend was. Terwijl de snorharen constant ritmisch door de lucht bewegen, blijven deze neuronen stil – tot het precieze moment dat een snorhaar een object raakt. Op dat moment vuren ze met verbazingwekkende precisie, schrijft het Weisman Instituut.

Dit riep een fundamentele vraag op: welke vorm van biologische engineering stelt een sensorisch systeem in staat om bewegingen die door het dier zelf worden gegenereerd te negeren en alleen te reageren op extern contact? Een nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Communications, biedt nu een evolutionaire oplossing voor deze opmerkelijke technische uitdaging.

Dit riep een fundamentele vraag op: welke vorm van biologische engineering stelt een sensorisch systeem in staat om bewegingen die door het dier zelf worden gegenereerd te negeren en alleen te reageren op extern contact? Een nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Communications, biedt nu een evolutionaire oplossing voor deze opmerkelijke technische uitdaging.

In tegenstelling tot gewone haren, zijn de snorharen van ratten en andere knaagdieren zoals muizen of hamsters diep ingebed in gespecialiseerde follikels vol mechanoreceptoren – clusters van neuronen die signalen naar de hersenen sturen wanneer de snorharen de omgeving aftasten. Meer dan twintig jaar geleden ontdekte professor Satomi Ebara van de Meiji Universiteit voor Integratieve Geneeskunde in Kyoto, Japan, samen met collega's dat mechanoreceptoren in een grote verscheidenheid aan typen voorkomen, elk gelegen in een eigen, specifieke laag, weefsel en structurele niche. Maar hoe deze architectonische verschillen de functie van de receptoren beïnvloedden, bleef onbekend.

Rond dezelfde tijd ontdekten prof. Ehud Ahissar , samen met Marcin Szwed en dr. Knarik Bagdasarian van het Weizmann Instituut voor Wetenschap, dat mechanoreceptoren in verschillende functionele klassen vallen. Eén groep, de snorhaarneuronen, reageert uitsluitend op de snorhaarbeweging zelf, ongeacht of de snorharen een object aanraken. Een andere groep, die de onderzoekers 'tastneuronen' noemden, vuurt alleen wanneer de snorharen lichtjes buigen bij contact met een extern object; deze blijft volledig stil tijdens de beweging van de snorharen zelf.

Zoals hierboven uitgelegd, bracht deze ontdekking van Ahissar's team wetenschappers voor een raadsel: hoe kan een neuron uitsluitend reageren op één type mechanische informatie?

De nieuwe studie – onder leiding van masterstudent Taiga Muramoto en Ebara, de wetenschapper die meer dan twintig jaar eerder de snorhaarfollikel in kaart had gebracht – keerde met moderne instrumenten terug naar deze vraag. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met het team van prof. Takahiro Furuta van de Universiteit van Osaka, en met Ahissar en Bagdasarian van de afdeling Hersenwetenschappen van het Weizmann Instituut.

De wetenschappers ontdekten dat de haarfollikel in de snorharen van ratten een complete, oeroude gereedschapskist vol mechanische trucjes bevat – collageenveren, gelaagde compartimenten, membraanankers en traagheidsdempers – die blijkbaar allemaal door natuurlijke selectie zijn gevormd om zelfbeweging te onderscheiden van aanraking door externe factoren. Deze trucjes stellen ratten in staat om zelfs de zwakste aanraking met buitengewone precisie te detecteren.

Vijf snorhaarfollikels in een 100 micrometer dikke weefselcoupe, bekeken onder een microscoop. Elke follikel is omhuld door een dikke collageencapsule, omringd door skeletspieren. De follikel bevat een bundel mechanoreceptoren, waarvan de knotsvormige uiteinden verankerd zijn in een zwevende, collageenrijke matrix ter hoogte van het bovenste derde deel van de follikel. Foto Weizmann Instituut

In tegenstelling tot gewone haren, zijn de snorharen van ratten en andere knaagdieren zoals muizen of hamsters diep ingebed in gespecialiseerde follikels vol mechanoreceptoren – clusters van neuronen die signalen naar de hersenen sturen wanneer de snorharen de omgeving aftasten. Meer dan twintig jaar geleden ontdekte professor Satomi Ebara van de Meiji Universiteit voor Integratieve Geneeskunde in Kyoto, Japan, samen met collega's dat mechanoreceptoren in een grote verscheidenheid aan typen voorkomen, elk gelegen in een eigen, specifieke laag, weefsel en structurele niche. Maar hoe deze architectonische verschillen de functie van de receptoren beïnvloedden, bleef onbekend.

Rond dezelfde tijd ontdekten prof. Ehud Ahissar , samen met Marcin Szwed en dr. Knarik Bagdasarian van het Weizmann Instituut voor Wetenschap, dat mechanoreceptoren in verschillende functionele klassen vallen. Eén groep, de snorhaarneuronen, reageert uitsluitend op de snorhaarbeweging zelf, ongeacht of de snorharen een object aanraken. Een andere groep, die de onderzoekers 'tastneuronen' noemden, vuurt alleen wanneer de snorharen lichtjes buigen bij contact met een extern object; deze blijft volledig stil tijdens de beweging van de snorharen zelf.

De nieuwe studie – onder leiding van masterstudent Taiga Muramoto en Ebara, de wetenschapper die meer dan twintig jaar eerder de snorhaarfollikel in kaart had gebracht – keerde met moderne instrumenten terug naar deze vraag. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met het team van prof. Takahiro Furuta van de Universiteit van Osaka, en met Ahissar en Bagdasarian van de afdeling Hersenwetenschappen van het Weizmann Instituut.

De wetenschappers ontdekten dat de haarfollikel in de snorharen van ratten een complete, oeroude gereedschapskist vol mechanische trucjes bevat – collageenveren, gelaagde compartimenten, membraanankers en traagheidsdempers – die blijkbaar allemaal door natuurlijke selectie zijn gevormd om zelfbeweging te onderscheiden van aanraking door externe factoren. Deze trucjes stellen ratten in staat om zelfs de zwakste aanraking met buitengewone precisie te detecteren.

Vijf snorhaarfollikels in een 100 micrometer dikke weefselcoupe, bekeken onder een microscoop. Elke follikel is omhuld door een dikke collageencapsule, omringd door skeletspieren. De follikel bevat een bundel mechanoreceptoren, waarvan de knotsvormige uiteinden verankerd zijn in een zwevende, collageenrijke matrix ter hoogte van het bovenste derde deel van de follikel.

Het team identificeerde een specifiek subtype van ongeveer 50 knotsvormige mechanoreceptoren – tussen de honderden receptoren die elk haarzakje bevat – die specifiek zijn ontworpen om actieve aanraking waar te nemen.

Scanningelektronenmicroscopie onthulde dat deze receptoren ingebed zijn in een collageenrijke structuur die ze mechanisch isoleert van trillingen die tijdens het snorhaar bewegen ontstaan. Een van de meest verrassende bevindingen was dat deze collageenstructuur fungeert als een miniatuurgewichtje in het haarzakje. Net als een zware slinger die een gebouw stabiliseert bij harde wind, dempt de inertie ervan de door het snorhaar bewegen veroorzaakte beweging, waardoor de receptoren alleen reageren op echte externe aanraking.

De functie van de mechanoreceptoren wordt ook bepaald door hun unieke locatie: ze bevinden zich allemaal in een ring met één laag, vlakbij het zwaartepunt van de haarfollikel, dicht bij het draaipunt waaromheen de snorhaar roteert. Dit draaipunt beweegt nauwelijks tijdens het bewegen van de snorhaar, waardoor het een ideale plek is voor een sensor die stil moet blijven tijdens de beweging. Door zich rond deze mechanisch stabiele zone te clusteren, blijven de knotsvormige receptoren stil, zelfs wanneer de snorhaar krachtig door de lucht zwaait, maar vuren ze direct af wanneer deze een object aanraakt.

Vergelijkingen met andere soorten laten zien dat dieren die niet afhankelijk zijn van actief snorhaar bewegen, deze evolutionaire trucjes missen. Bij katten bijvoorbeeld bevinden de knotsvormige receptoren zich in een lossere collageenmatrix die weinig mechanische isolatie biedt. Ze zijn niet gerangschikt in een ring met één laag, bevinden zich niet in het zwaartepunt van het haarzakje en worden niet beschermd door een zwevend collageengewicht.

“Ratten zijn het meest actief in het donker en gebruiken hun gevoelige snorharen om hun directe omgeving nauwkeurig waar te nemen. Omdat ze geen goed ontwikkeld nachtzicht hebben, is waarneming via hun snorharen essentieel voor hun overleving”, legt Ahissar uit. “De evolutie heeft een opvallende samenloop van biomechanica, weefselarchitectuur en sensorimotorische verwerking gecreëerd om deze fundamentele uitdaging in actieve tastzin op te lossen.”