（圖：高中生物）

根據(jù)最近的研究，腦干和脊髓在處理觸覺信號時(shí)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

我們做的幾乎所有事情都依賴于我們的觸覺，從簡單的家務(wù)到導(dǎo)航潛在的危險(xiǎn)地形。長期以來，科學(xué)家們一直很好奇，我們用手和身體其他部位獲得的觸摸信息是如何進(jìn)入大腦，從而產(chǎn)生我們的感覺的。然而，觸覺的關(guān)鍵方面，比如脊髓和腦干是如何參與接收、處理和傳輸信號的，仍然是未知的?，F(xiàn)在，哈佛醫(yī)學(xué)院研究人員的兩項(xiàng)研究為脊髓和腦干如何影響觸覺提供了重要的新認(rèn)識。

研究發(fā)現(xiàn)，脊髓和腦干，之前被認(rèn)為只是觸摸信息的中轉(zhuǎn)中心，在觸摸信號傳輸?shù)礁唠A的大腦區(qū)域時(shí)，它們積極參與處理。

其中，在《Cell》雜志上的研究表明，脊髓中的特殊神經(jīng)元形成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它處理輕觸——比如手擦過或臉頰上的輕啄——并將這些信息發(fā)送到腦干。在另一項(xiàng)發(fā)表在《Nature》雜志上的研究中，研究人員證實(shí)，直接和間接的觸摸通路共同作用，在腦干中匯合，形成了觸摸的處理方式。

“這些研究將重點(diǎn)放在脊髓和腦干上，它們是觸覺信息整合和處理的地方，以傳達(dá)不同類型的觸覺。在此之前，我們還沒有完全認(rèn)識到這些區(qū)域是如何幫助大腦表現(xiàn)振動(dòng)、壓力和觸覺刺激的其他特征的，”David Ginty說，他是兩篇論文的通訊作者。

雖然這些研究是在嚙齒動(dòng)物身上進(jìn)行的，但觸摸機(jī)制在很大程度上是在物種之間保守的，包括人類，這意味著觸摸處理的基礎(chǔ)知識可能對科學(xué)家研究人類疾病有用，比如以觸摸功能障礙為特征的神經(jīng)性疼痛。

美國國家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究所(NINDS)的項(xiàng)目主任James Gnadt說:“這種對觸覺的詳細(xì)理解——即通過與皮膚接觸來感受世界——可能對理解疾病、紊亂和損傷如何影響我們與周圍環(huán)境互動(dòng)的能力具有深遠(yuǎn)的意義?！痹撗芯克鶠檫@項(xiàng)研究提供了部分資金。

被忽視和低估

關(guān)于觸覺的歷史觀點(diǎn)是，皮膚上的感覺神經(jīng)元遇到壓力或振動(dòng)等觸覺刺激，并以電脈沖的形式將信息直接從皮膚傳遞到腦干。在那里，其他神經(jīng)元將觸摸信息傳遞給大腦的初級體感皮層——觸摸層次的最高層次——在那里它被加工成感覺。然而，Ginty和他的團(tuán)隊(duì)想知道脊髓和腦干是否以及如何參與處理觸摸信息。這些區(qū)域占據(jù)了觸摸層次的最低層次，并結(jié)合起來形成了一個(gè)更間接的觸摸通道進(jìn)入大腦。

“該領(lǐng)域的人認(rèn)為，觸覺的多樣性和豐豐性僅僅來自皮膚中的感覺神經(jīng)元，但這種想法繞過了脊髓和腦干，”Ginty實(shí)驗(yàn)室的博士后、《Nature》雜志論文的第一作者Josef Turecek說。Turecek解釋說，許多神經(jīng)科學(xué)家不熟悉脊髓神經(jīng)元，稱為突觸后背柱(PSDC)神經(jīng)元，它從脊髓投射到腦干，而且教科書傾向于將PSDC神經(jīng)元從描繪觸摸細(xì)節(jié)的圖表中刪除。   

對于Ginty來說，脊髓和腦干在觸覺中被忽視的方式讓他想起了早期對視覺系統(tǒng)的研究。最初，研究視覺的科學(xué)家認(rèn)為所有的處理過程都發(fā)生在大腦的視覺皮層。然而，事實(shí)證明，視網(wǎng)膜在視覺信息到達(dá)皮層之前就接受了視覺信息，并大量參與了這些信息的處理。Ginty說:“類似于對視覺系統(tǒng)的研究，這兩篇論文闡述了來自皮膚的觸摸信息是如何在脊髓和腦干中被處理的，然后再向上移動(dòng)到更復(fù)雜的大腦區(qū)域?！?/p>

把點(diǎn)連起來

在《Cell》雜志的論文中，研究人員使用了他們開發(fā)的一種技術(shù)，在小鼠經(jīng)歷各種類型的觸摸時(shí)，同時(shí)記錄脊髓中許多不同神經(jīng)元的活動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，在脊髓的感覺處理區(qū)域——背角上，超過90%的神經(jīng)元對輕觸有反應(yīng)?！斑@很令人驚訝，因?yàn)閭鹘y(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，脊髓淺層的背角神經(jīng)元主要對溫度和疼痛刺激做出反應(yīng)。我們還沒有意識到輕觸信息是如何在脊髓中分布的，”Ginty實(shí)驗(yàn)室的研究員Anda Chirila說，她與研究生Genelle Rankin共同撰寫了這篇論文。

此外，這些對光的反應(yīng)在背角中基因不同的神經(jīng)元群體中有很大的差異，這些神經(jīng)元被發(fā)現(xiàn)形成了一個(gè)高度互聯(lián)和復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這種反應(yīng)的變化反過來又導(dǎo)致了由PSDC神經(jīng)元從背角傳遞到腦干的觸摸信息的多樣性。事實(shí)上，當(dāng)研究人員使各種背角神經(jīng)元沉默時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)PSDC神經(jīng)元傳遞的輕觸信息的多樣性減少了。

Chirila說:“我們認(rèn)為，關(guān)于觸摸如何在脊髓中編碼的信息，對于理解觸摸處理的基本方面很重要。脊髓是觸摸層次結(jié)構(gòu)中的第一個(gè)位置?！?/p>

在他們發(fā)表在《Nature》雜志上的另一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們專注于觸覺層次的下一個(gè)階段:腦干。他們探索了從皮膚中的感覺神經(jīng)元到腦干的直接通路和通過脊髓發(fā)送觸摸信息的間接通路之間的關(guān)系，正如《Cell》雜志論文中所描述的那樣。

Turecek說:“腦干神經(jīng)元既能得到直接輸入，也能得到間接輸入，我們真的很好奇每條通路會(huì)給腦干帶來哪些方面的觸摸?！?/p>

為了解析這個(gè)問題，研究人員交替沉默了每個(gè)通路，并記錄了小鼠腦干中神經(jīng)元的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，直接通路對于傳遞高頻振動(dòng)很重要，而間接通路則需要編碼皮膚上的壓力強(qiáng)度。

Turecek解釋說:“我們的想法是，這兩條通路在腦干中匯聚，神經(jīng)元可以編碼振動(dòng)和強(qiáng)度，所以你可以根據(jù)你有多少直接和間接輸入來塑造這些神經(jīng)元的反應(yīng)?！睋Q句話說，如果腦干神經(jīng)元的直接輸入比間接輸入多，它們交流的振動(dòng)就比強(qiáng)度大，反之亦然。

此外，研究小組發(fā)現(xiàn)，這兩種途徑都可以從同一小塊皮膚區(qū)域傳遞觸覺信息，在加入直接傳遞到腦干的振動(dòng)信息之前，有關(guān)強(qiáng)度的信息通過脊髓繞道而行。通過這種方式，直接通路和間接通路共同工作，使腦干能夠形成來自同一區(qū)域的不同類型的觸摸刺激的空間表征。

到目前為止，“大多數(shù)人都將腦干視為觸覺的中繼站，甚至根本沒有在地圖上看到脊髓，”Ginty說。對他來說，新的研究“證明了脊髓和腦干中發(fā)生了大量的信息處理，而這種處理對于大腦如何表征觸覺世界至關(guān)重要?！彼a(bǔ)充說，這種處理可能有助于腦干發(fā)送到體感皮層的觸摸信息的復(fù)雜性和多樣性。

接下來，Ginty和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在清醒且有行為的小鼠身上重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在更自然的條件下測試這些發(fā)現(xiàn)。他們還想擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)范圍，包括更多類型的真實(shí)世界的觸摸刺激，比如紋理和運(yùn)動(dòng)。

研究人員還對來自大腦的信息(例如動(dòng)物的壓力、饑餓或疲憊程度)如何影響接觸信息在脊髓和腦干中的處理感興趣。鑒于接觸機(jī)制在物種間似乎是保守的，這些信息可能與人類疾病特別相關(guān)，如自閉癥譜系障礙或神經(jīng)性疼痛，在這些疾病中，神經(jīng)功能障礙會(huì)導(dǎo)致對輕觸的超敏感。

Ginty說:“通過這些研究，我們已經(jīng)為這些電路的工作原理及其重要性奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)在我們有工具來解剖這些電路，以了解它們是如何正常運(yùn)作的，以及當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)發(fā)生了什么變化?！?nbsp;       

“Mechanoreceptor signal convergence and transformation in the dorsal horn flexibly shape a diversity of outputs to the brain” by Anda M. Chirila, Genelle Rankin, Shih-Yi Tseng, Alan J. Emanuel, Carmine L. Chavez-Martinez, Dawei Zhang, Christopher D. Harvey and David D. Ginty, 4 November 2022, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2022.10.012

“The encoding of touch by somatotopically aligned dorsal column subdivisions” by Josef Turecek, Brendan P. Lehnert and David D. Ginty, 23 November 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-05470-x