隨風而動，靠的是鬍鬚？

一項新的研究發現，大鼠面部的鬍鬚為其定位風源提供了關鍵線索，揭示了陸地哺乳動物可以隨風而動的原因。這一發現為研發仿生新型氣流測量設備提供了新的思路。

來源 西北大學

撰文 Amanda Morris

翻譯 雷文茜

審校 笑辰 紫蘇

小鼠面部的鬍鬚排布。 圖片取自論文

許多動物都具有追隨風向去覓食、躲避天敵和「找對象」的神奇能力。但是目前沒有研究探索過陸地哺乳動物如何確定風向。新的研究發現這種神奇能力的秘密很大部分就藏在動物的鬍鬚當中。這個發現為基於這種感應原理仿生設計新型氣流測量設備提供了思路。

由西北大學麥考密克工程學院生物醫學和機械工程學教授 Mitra Hartmann 和她的四位博士生組成的團隊在2016年8月 Science Advances上報道了大鼠可以利用它們的鬍鬚幫助定位風源。

Yan Yu 和 Matthew Graff 是論文的共同第一作者，他們設計了如下實驗：沿圓桌邊緣等間距將5個風扇擺成半圓形，每個風扇前面的桌面上都有一個可以容大鼠穿過的洞，下面連接一條隧道。每次實驗都隨機選擇一個風扇打開，使風吹向桌子另一側的一個「開啟門」。他們從「開啟門」每次放出一隻大鼠，如果大鼠能沿著風的方向走近開啟的風扇，鑽進洞中後會在隧道裡面得到獎勵。桌面上安置的攝像機記錄著大鼠的表現。

實驗裝置如圖所示。大鼠入口位於5個風扇對面，風扇前5個洞口（黑色圓點）連接隧道的桌下入口（灰色陰影圖形）。獎勵1是位於隧道中的出水口，僅會在大鼠選擇正確時開啟。獎勵2位於攫取室中，大鼠也僅在正確選擇開啟的風扇後才可獲得獎勵。（圖片來源：論文原文）

如果大鼠隨機選擇風扇，那有 20% 的機會選擇正確。研究人員不斷訓練，使它們能夠在連續十天的實驗中，有超過 60% 的概率會進行正確的選擇。隨後研究人員無痛剪掉了大鼠的鬍鬚，觀察大鼠的行為變化。另外兩位論文的作者 Chris Bresee 和 Yan Man 繼續進行了實驗，分析得到的數據表明剪掉鬍鬚之後，正確率降低了約 20%。

為了解釋這個結果，研究人員提出大鼠在實驗中可以選擇其他感官線索來定位風扇的位置。Yu 說「我們並沒有讓大鼠在實驗中只運用它們的鬍鬚。」Man 補充說：「它們可以使用其他許多信息來源，比如皮毛的活動、皮膚傳輸的機械信號或者來自眼睛、耳朵或者鼻子的溫度信息」

多種信息來源解釋了大鼠為何在剪掉鬍鬚之後仍然可以表現出高於隨機選擇的概率。然而剪掉鬍鬚後概率的降低說明，在實驗中，雖然大鼠有很多線索可以運用，它們還是選擇使用了鬍鬚。

「很明顯大鼠同時運用了多種線索，」Bresee解釋說，「但是它們選擇主要依靠自己的鬍鬚，這暗示著鬍鬚可以更方便得對風進行感應，甚至野生鼠在自然環境中也是如此。」

為了防止大鼠可以看到或者聽到旋轉的風扇，實驗在增加了環境噪音的暗室里進行。為了測試大鼠是否只是單純被剪鬍鬚弄糊塗了，另外一組試驗中，人們用光源代替風扇進行實驗。最終發現在大鼠剪掉鬍鬚前後的表現並沒有發生變化。

Hartmann 的團隊目前正在研究大鼠這種感知能力所涉及的機械信號和神經信號，希望可以在機器人上運用相似的原理設計安裝人工流體感測器。在之前發表於 Journal of Experimental Biology 實驗中，Yu、Graff 和 Hartmann 發現大鼠鬍鬚會沿著風向發生彎曲，並且風越大，鬍鬚就會彎曲和振動的越厲害。「當鬍鬚彎曲的時候，它會壓迫到鬍鬚底部的接受器。」Graff 說。「目前的行為實驗暗示大鼠正是運用這種機械信息確定氣流的來源。」

大鼠使用鬍鬚跟蹤流體流動，但是貓和狗是否也是這樣呢？儘管團隊只對大鼠進行了研究，但是他們解釋道，鬍鬚在許多其他種類的動物臉上都是以相似方式排布的。Graff 說：「如果鬍鬚暴露在有風的環境中，很明顯它們會彎曲和振動。」很有可能其他動物也使用了鬍鬚的這一功能。

Yu 說：「考慮到感知風向對很多行為都有關鍵影響，所有動物都在利用這種機械信息的推測也是十分合理的。」基於很多氣味都是由氣流傳輸這一情況，這項研究在實際應用中有很大的潛力。

「判斷氣流結構對定位氣味來源尤為重要，」 Hartmann 說。「而氣味的定位對尋找爆炸物、化學品泄露和生物信號十分關鍵。」

參考文獻

Yan S. W. Yu, Matthew M. Graff, Mitra J. Z.Hartmann. 「Mechanicalresponses of rat vibrissae to airflow」Journalof Experimental Biology. 2016, 219, 937-948

論文信息

【題目】 Whiskers aid anemotaxis in rats

【作者】 Yan S. W.Yu1,*, Matthew M. Graff1,*, Chris S. Bresee2,Yan B. Man1 and Mitra J. Z. Hartmann1

【刊期】 Science Advances Vol. 2, no. 8, e1600716

【日期】 Published 24 Aug 2016

【doi】 10.1126/sciadv.1600716

【摘要】 Observation of terrestrial mammals suggests that they can follow thewind (anemotaxis), but the sensory cues underlying this ability have not beenstudied. We identify a significant contribution to anemotaxis mediated bywhiskers (vibrissae), a modality previously studied only in the context ofdirect tactile contact. Five rats trained on a five-alternative forced-choiceairflow localization task exhibited significant performance decrements after vibrissalremoval. In contrast, vibrissal removal did not disrupt the performance ofcontrol animals trained to localize a light source. The performance decrementof individual rats was related to their airspeed threshold for successfullocalization: animals that found the task more challenging relied more on thevibrissae for localization cues. Following vibrissal removal, the rats deviatedmore from the straight-line path to the air source, choosing sources fartherfrom the correct location. Our results indicate that rats can performanemotaxis and that whiskers greatly facilitate this ability. Because aircurrents carry information about both odor content and location, these findingsare discussed in terms of the adaptive significance of the interaction betweensniffing and whisking in rodents.

【鏈接】

http://advances.sciencemag.org/content/2/8/e1600716

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