两项研究揭示了脊髓和脑干接触的惊人新作用
触觉对于我们所做的几乎所有事情都是必不可少的，从家中的日常任务到在可能隐藏危险的陌生地形中航行。长期以来，科学家们一直有兴趣了解我们通过手和身体其他部位获得的触摸信息是如何进入大脑以产生我们的感觉的。
然而，对触觉的关键方面——包括脊髓和脑干如何参与接收、处理和传输信号——仍然知之甚少。
现在，哈佛医学院科学家发表的两篇论文揭示了关于脊髓和脑干如何影响触觉的重要新见解。
具体来说，研究表明，脊髓和脑干，以前被认为只是触摸信息的中继中心，在触摸信号传输到更高阶的大脑区域时，积极参与处理触摸信号。
11 月 4 日发表在《细胞》杂志上的一项研究表明，脊髓中的专门神经元形成了一个复杂的网络，可以处理轻触——想想手的刷子或轻吻脸颊——并将这些信息发送到脑干。
在另一项于 11 月 23 日发表在《自然》杂志上的研究中，研究人员确定直接和间接触觉通路协同工作，汇聚在脑干中以塑造触觉的处理方式。
“这些研究将焦点集中在脊髓和脑干上，它们是触摸信息被整合和处理以传达不同类型触摸的地方。我们之前没有完全理解这些区域如何影响大脑对振动、压力和感觉的表征。触觉刺激的其他特征。
尽管这些研究是在老鼠身上进行的，但触觉机制在包括人类在内的所有物种中基本上是保守的，这意味着触觉处理的基础知识可能对研究人类疾病(例如以触觉功能障碍为特征的神经性疼痛)的科学家有用。
“这种对触觉的详细理解——即通过与皮肤的接触来感受世界——可能对理解疾病、紊乱和伤害如何影响我们与周围环境互动的能力具有深远的意义，”James Gnadt 说，美国国家神经疾病和中风研究所 (NINDS) 项目主任。
被忽视和低估
触觉的历史观点是，皮肤中的感觉神经元遇到压力或振动等触觉刺激，并以电脉冲的形式将此信息从皮肤直接传输到脑干。在那里，其他神经元将触觉信息传递到大脑的初级体感皮层——触觉层级的最高层——在那里它被处理成感觉。
然而，Ginty 和他的团队想知道脊髓和脑干是否以及如何参与处理触摸信息。这些区域占据触摸层级的最低层，并结合形成更间接的进入大脑的触摸通路。
“该领域的人们认为触觉的多样性和丰富性仅来自皮肤中的感觉神经元，但这种想法绕过了脊髓和脑干，”Ginty 实验室的博士后研究员、该论文的第一作者 Josef Turecek 说。自然纸。
许多神经科学家不熟悉脊髓神经元，称为突触后背柱 (PSDC) 神经元，它们从脊髓投射到脑干——教科书倾向于将 PSDC 神经元从描述触摸细节的图表中删除，Turecek 解释说。
对 Ginty 来说，脊髓和脑干在触觉中被忽视的方式让人想起早期对视觉系统的研究。最初，研究视觉的科学家认为所有处理都发生在大脑的视觉皮层。然而，事实证明，在视觉信息到达皮质之前很久就接收到视觉信息的视网膜在很大程度上参与了这些信息的处理。
“类似于对视觉系统的研究，这两篇论文解决了来自皮肤的触摸信息如何在脊髓和脑干中被处理，然后再向上移动触摸层次结构到更复杂的大脑区域，”Ginty 说。
连接点
在Cell论文中，研究人员使用他们开发的一种技术，在小鼠经历各种类型的触觉时同时记录脊髓中许多不同神经元的活动。他们发现背角(脊髓的感觉处理区域)中超过 90% 的神经元对轻触有反应。
“这令人惊讶，因为传统上认为脊髓表层的背角神经元主要对温度和疼痛刺激做出反应。我们没有意识到轻触信息是如何在脊髓中分布的，”Anda Chirila 说。 ，Ginty 实验室研究员，与研究生 Genelle Rankin 共同撰写该论文。
此外，这些对轻触的反应在背角中基因不同的神经元群中有很大差异，这些神经元被发现形成了一个高度互连和复杂的神经网络。这种反应的变化反过来又导致了 PSDC 神经元从背角到脑干的触摸信息的多样性。事实上，当研究人员使各种背角神经元沉默时，他们发现 PSDC 神经元传递的轻触信息的多样性有所减少。
Chirila 说：“我们认为关于触摸如何在脊髓中编码的信息，脊髓是触摸层次结构中的第一个位置，对于理解触摸处理的基本方面很重要。”
在他们发表在《自然》杂志上的另一项研究中，科学家们专注于触摸层次结构的下一步：脑干。正如Cell论文中所述，他们探索了从皮肤中的感觉神经元到脑干的直接通路与通过脊髓发送触觉信息的间接通路之间的关系。
“脑干神经元得到直接和间接输入，我们真的很好奇每个通路给脑干带来了哪些方面的触觉，”Turecek 说。
为了解析这个问题，研究人员交替地沉默每条通路并记录小鼠脑干神经元的反应。实验表明，直接通路对于传达高频振动很重要，而间接通路则需要对皮肤上的压力强度进行编码。
“这个想法是，这两条通路在脑干中与可以编码振动和强度的神经元汇合，因此你可以根据你有多少直接和间接输入来塑造这些神经元的反应，”Turecek 解释说。换句话说，如果脑干神经元的直接输入多于间接输入，它们传达的振动多于强度，反之亦然。
此外，该团队发现，这两种途径都可以从同一小块皮肤区域传递触摸信息，强度信息先绕过脊髓，然后再加入直接传递到脑干的振动信息。通过这种方式，直接和间接通路协同工作，使脑干能够形成来自同一区域的不同类型触觉刺激的空间表征。
终于在地图上
到目前为止，“大多数人都将脑干视为触觉的中继站，他们甚至根本没有在地图上找到脊髓，”Ginty 说。对他来说，新研究“表明脊髓和脑干中发生了大量的信息处理——这种处理对于大脑如何代表触觉世界至关重要。”
他补充说，这种处理可能有助于脑干发送到体感皮层的触摸信息的复杂性和多样性。
接下来，Ginty 和团队计划在清醒和有行为的老鼠身上重复实验，以在更自然的条件下测试这些发现。他们还希望扩展实验以包括更多类型的真实世界触摸刺激，例如纹理和运动。
研究人员还对来自大脑的信息(例如，关于动物的压力、饥饿或疲惫程度)如何影响脊髓和脑干中触觉信息的处理方式感兴趣。鉴于触摸机制似乎跨物种保守，此类信息可能与自闭症谱系障碍或神经性疼痛等人类疾病特别相关，在这些疾病中，神经功能障碍会导致对轻触过敏。
“通过这些研究，我们为这些电路的工作原理和重要性奠定了基础，”Rankin 说。“现在我们有了剖析这些电路的工具，以了解它们如何正常运作，以及出现问题时发生了什么变化。”
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