（圖：高中生物）

根據(jù)最近的研究，腦干和脊髓在處理觸覺(jué)信號(hào)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(jué)，從簡(jiǎn)單的家務(wù)到導(dǎo)航潛在的危險(xiǎn)地形。長(zhǎng)期以來(lái)，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(jué)的。然而，觸覺(jué)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(hào)的，仍然是未知的。現(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(jué)提供了重要的新認(rèn)識(shí)。

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(hào)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(guò)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(jué)信息整合和處理的地方，以傳達(dá)不同類型的觸覺(jué)。在此之前，我們還沒(méi)有完全認(rèn)識(shí)到這些區(qū)域是如何幫助大腦表現(xiàn)振動(dòng)、壓力和觸覺(jué)刺激的其他特征的，”David Ginty說(shuō)，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(shí)可能對(duì)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(guó)國(guó)家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究所(NINDS)的項(xiàng)目主任James Gnadt說(shuō):“這種對(duì)觸覺(jué)的詳細(xì)理解——即通過(guò)與皮膚接觸來(lái)感受世界——可能對(duì)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。”該研究所為這項(xiàng)研究提供了部分資金。

被忽視和低估

關(guān)于觸覺(jué)的歷史觀點(diǎn)是，皮膚上的感覺(jué)神經(jīng)元遇到壓力或振動(dòng)等觸覺(jué)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(jí)體感皮層——觸摸層次的最高層次——在那里它被加工成感覺(jué)。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(lái)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(jué)的多樣性和豐豐性僅僅來(lái)自皮膚中的感覺(jué)神經(jīng)元，但這種想法繞過(guò)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(shuō)。Turecek解釋說(shuō)，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(duì)于Ginty來(lái)說(shuō)，脊髓和腦干在觸覺(jué)中被忽視的方式讓他想起了早期對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的研究。最初，研究視覺(jué)的科學(xué)家認(rèn)為所有的處理過(guò)程都發(fā)生在大腦的視覺(jué)皮層。然而，事實(shí)證明，視網(wǎng)膜在視覺(jué)信息到達(dá)皮層之前就接受了視覺(jué)信息，并大量參與了這些信息的處理。Ginty說(shuō):“類似于對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的研究，這兩篇論文闡述了來(lái)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(lái)

在《Cell》雜志的論文中，研究人員使用了他們開(kāi)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(jué)處理區(qū)域——背角上，超過(guò)90%的神經(jīng)元對(duì)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(duì)溫度和疼痛刺激做出反應(yīng)。我們還沒(méi)有意識(shí)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(shuō)，她與研究生Genelle Rankin共同撰寫了這篇論文。

此外，這些對(duì)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(guò)來(lái)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(shuō):“我們認(rèn)為，關(guān)于觸摸如何在脊髓中編碼的信息，對(duì)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。”

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(jué)層次的下一個(gè)階段:腦干。他們探索了從皮膚中的感覺(jué)神經(jīng)元到腦干的直接通路和通過(guò)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(shuō):“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(lái)哪些方面的觸摸?！?/p>

為了解析這個(gè)問(wèn)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(duì)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(shuō):“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(lái)塑造這些神經(jīng)元的反應(yīng)。”換句話說(shuō)，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(jué)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(guò)脊髓繞道而行。通過(guò)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(lái)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(jué)的中繼站，甚至根本沒(méi)有在地圖上看到脊髓，”Ginty說(shuō)。對(duì)他來(lái)說(shuō)，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(duì)于大腦如何表征觸覺(jué)世界至關(guān)重要?！彼a(bǔ)充說(shuō)，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(lái)，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(cè)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(duì)來(lái)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(duì)輕觸的超敏感。

Ginty說(shuō):“通過(guò)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(lái)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(wèn)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