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一项新的研究发现，大鼠面部的胡须为其定位风源提供了关键线索，揭示了陆地哺乳动物可以随风而动的原因。这一发现为研发仿生新型气流测量设备提供了新的思路。

来源 西北大学

撰文 Amanda Morris

翻译 雷文茜

审校 笑辰 紫苏

小鼠面部的胡须排布。 图片取自论文

许多动物都具有追随风向去觅食、躲避天敌和“找对象”的神奇能力。但是目前没有研究探索过陆地哺乳动物如何确定风向。新的研究发现这种神奇能力的秘密很大部分就藏在动物的胡须当中。这个发现为基于这种感应原理仿生设计新型气流测量设备提供了思路。

由西北大学麦考密克工程学院生物医学和机械工程学教授 Mitra Hartmann 和她的四位博士生组成的团队在2016年8月 Science Advances上报道了大鼠可以利用它们的胡须帮助定位风源。

Yan Yu 和 Matthew Graff 是论文的共同第一作者，他们设计了如下实验：沿圆桌边缘等间距将5个风扇摆成半圆形，每个风扇前面的桌面上都有一个可以容大鼠穿过的洞，下面连接一条隧道。每次实验都随机选择一个风扇打开，使风吹向桌子另一侧的一个“开启门”。他们从“开启门”每次放出一只大鼠，如果大鼠能沿着风的方向走近开启的风扇，钻进洞中后会在隧道里面得到奖励。桌面上安置的摄像机记录着大鼠的表现。

实验装置如图所示。大鼠入口位于5个风扇对面，风扇前5个洞口（黑色圆点）连接隧道的桌下入口（灰色阴影图形）。奖励1是位于隧道中的出水口，仅会在大鼠选择正确时开启。奖励2位于攫取室中，大鼠也仅在正确选择开启的风扇后才可获得奖励。（图片来源：论文原文）

如果大鼠随机选择风扇，那有 20% 的机会选择正确。研究人员不断训练，使它们能够在连续十天的实验中，有超过 60% 的概率会进行正确的选择。随后研究人员无痛剪掉了大鼠的胡须，观察大鼠的行为变化。另外两位论文的作者 Chris Bresee 和 Yan Man 继续进行了实验，分析得到的数据表明剪掉胡须之后，正确率降低了约 20%。

为了解释这个结果，研究人员提出大鼠在实验中可以选择其他感官线索来定位风扇的位置。Yu 说“我们并没有让大鼠在实验中只运用它们的胡须。”Man 补充说：“它们可以使用其他许多信息来源，比如皮毛的活动、皮肤传输的机械信号或者来自眼睛、耳朵或者鼻子的温度信息”

多种信息来源解释了大鼠为何在剪掉胡须之后仍然可以表现出高于随机选择的概率。然而剪掉胡须后概率的降低说明，在实验中，虽然大鼠有很多线索可以运用，它们还是选择使用了胡须。

 “很明显大鼠同时运用了多种线索，”Bresee解释说，“但是它们选择主要依靠自己的胡须，这暗示着胡须可以更方便得对风进行感应，甚至野生鼠在自然环境中也是如此。”

为了防止大鼠可以看到或者听到旋转的风扇，实验在增加了环境噪音的暗室里进行。为了测试大鼠是否只是单纯被剪胡须弄糊涂了，另外一组试验中，人们用光源代替风扇进行实验。最终发现在大鼠剪掉胡须前后的表现并没有发生变化。

Hartmann 的团队目前正在研究大鼠这种感知能力所涉及的机械信号和神经信号，希望可以在机器人上运用相似的原理设计安装人工流体传感器。在之前发表于 Journal of Experimental Biology 实验中，Yu、Graff 和 Hartmann 发现大鼠胡须会沿着风向发生弯曲，并且风越大，胡须就会弯曲和振动的越厉害。“当胡须弯曲的时候，它会压迫到胡须底部的接受器。”Graff 说。“目前的行为实验暗示大鼠正是运用这种机械信息确定气流的来源。”

大鼠使用胡须跟踪流体流动，但是猫和狗是否也是这样呢？尽管团队只对大鼠进行了研究，但是他们解释道，胡须在许多其他种类的动物脸上都是以相似方式排布的。Graff 说：“如果胡须暴露在有风的环境中，很明显它们会弯曲和振动。”很有可能其他动物也使用了胡须的这一功能。

Yu 说：“考虑到感知风向对很多行为都有关键影响，所有动物都在利用这种机械信息的推测也是十分合理的。”基于很多气味都是由气流传输这一情况，这项研究在实际应用中有很大的潜力。

 “判断气流结构对定位气味来源尤为重要，” Hartmann 说。“而气味的定位对寻找爆炸物、化学品泄露和生物信号十分关键。”

原文链接：http://phys.org/news/2016-08-whiskers-animals.html

参考文献

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

论文信息

【题目】 Whiskers aid anemotaxis in rats

【作者】 Yan S. W.Yu^1,*, Matthew M. Graff^1,*, 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.

【链接】

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

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