Cell揭开触摸之谜:为什么某些身体部位如此敏感

【字体: 时间:2021年10月13日 来源:scitechdaily biology

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  身体的某些部位——比如我们的手和嘴唇——比其他部位更加敏感,使它们成为我们辨别周围世界最复杂细节能力的重要工具。

  

研究人员发现了一种机制,可以解释为什么某些身体部位如此敏感。

身体的某些部位——比如我们的手和嘴唇——比其他部位更加敏感,使它们成为我们辨别周围世界最复杂细节能力的重要工具。

这种能力是我们生存的关键,使我们能够安全地在周围环境中航行,并迅速理解和应对新情况。大脑为这些敏感的皮肤表面提供了相当大的空间,这些皮肤表面专门用于精细的、有区别的触摸,并通过刺激它们的感觉神经元不断收集详细的信息,这也许并不奇怪。

但是,感觉神经元和大脑之间的联系是如何产生如此敏感的皮肤的呢?

哈佛医学院的研究人员领导的一项新研究揭示了一种机制,可能是某些皮肤区域更敏感的原因。

这项研究在小鼠身上进行,并于10月11日发表在《Cell》杂志上。研究表明,大脑中敏感皮肤表面的过度呈现是在青春期早期形成的,可以确定是脑干。此外,与身体不太敏感部位的神经元相比,分布在皮肤较敏感部位并将信息传递到脑干的感觉神经元形成了更多、更强的连接。

哈佛医学院神经生物学教授、资深作者David Ginty说:“这项研究提供了一种机制上的理解,即为什么高触觉灵敏度的皮肤表面有更多的大脑区域。”“基本上,这是一种机制,有助于解释为什么一个人的身体部位需要更敏锐的感觉。”

虽然这项研究是在小鼠身上进行的,但在所有哺乳动物身上都可以看到大脑中敏感皮肤区域的过度分布——这表明这种机制可能也适用于其他物种。从进化的角度来看,哺乳动物有着非常不同的身体形态,这意味着不同皮肤表面的敏感性。例如,人类有高度敏感的手和嘴唇,而猪用高度敏感的鼻子探索世界。因此,Ginty认为这一机制可以为不同物种在不同区域发育敏感性提供发育灵活性。

此外,这些发现虽然是基础性的,但有朝一日可能有助于阐明在人类某些神经发育障碍中出现的触摸异常。

科学家们早就知道,某些身体部位在大脑中占据了过多的位置,正如大脑的感觉图所描述的那样,这张图就是著名的“躯体感觉侏儒图”(body - sensory homunculus),描绘了人体各部位以及大脑中处理这些身体部位信号的相应区域的示意图。这幅引人注目的插图包括卡通般的超大手和嘴唇。以前,人们认为大脑中敏感皮肤区域的过度表现可能是由于支配这些皮肤区域的神经元密度更高。然而,Ginty实验室的早期工作揭示,虽然敏感皮肤包含更多的神经元,但这些额外的神经元不足以解释额外的大脑空间。

“我们注意到,与我们的预期相比,支配敏感皮肤的神经元数量相当少,”神经生物学研究员、共同第一作者布兰登·莱纳特(Brendan Lehnert)说。他与同为Ginty实验室研究员的塞琳·圣地亚哥(Celine Santiago)共同领导了这项研究。

“这是不合理的,”Ginty补充道。

为了研究这一矛盾,研究人员在小鼠身上进行了一系列实验,在神经元以不同方式受到刺激时,对大脑和神经元进行成像。首先,他们研究了在整个发育过程中,大脑中不同的皮肤区域是如何呈现的。在发育早期,小鼠爪子上敏感的、无毛的皮肤与感觉神经元的密度成比例。然而,在青春期和成年期之间,这种敏感的皮肤在大脑中的比例越来越高,尽管神经元的密度保持稳定——这种变化在不那么敏感的毛茸茸的爪子皮肤中没有看到。

Ginty说:“这立刻告诉我们,除了皮肤神经细胞的神经支配密度外,还有其他原因导致了大脑的过度表现。”

Lehnert补充说:“在这些出生后的发育时间点上看到变化真的是出乎意料的。”“这可能只是产后发育过程中许多重要的变化之一,这些变化让我们能够代表周围的触觉世界,帮助我们获得通过感觉运动回路操纵世界上的物体的能力,而触觉是其中一个特别的部分。”

接下来,研究小组确定脑干(位于大脑底部的区域,负责将信息从感觉神经元传递到更复杂、更高阶的大脑区域)是敏感皮肤表面的放大代表出现的位置。这一发现使研究人员认识到:敏感皮肤的过度代表一定来自感觉神经元和脑干神经元之间的连接。

为了进一步研究,科学家们比较了不同类型爪子皮肤的感觉神经元和脑干神经元之间的联系。他们发现,与不那么敏感、多毛的皮肤相比,敏感、无毛的皮肤神经元之间的连接更强、更多。因此,研究小组得出结论,神经元之间连接的强度和数量对大脑中敏感皮肤的过度表达起着关键作用。最后,即使敏感皮肤上的感觉神经元没有受到刺激,小鼠大脑中的表现仍在扩大——这表明是皮肤类型,而不是长期的触摸刺激,导致了这些大脑变化。

Ginty说:“我们认为我们已经发现了这种放大的一个组成部分,它解释了感官空间的不成比例的中心表征。这是思考这种放大是如何产生的一种新方式。”

接下来,研究人员想要研究不同的皮肤区域是如何让刺激它们的神经元具有不同的特性的,比如当它们刺激敏感的皮肤时,会形成更多更强的连接。“是什么信号?”Ginty问道。“这是一个非常重要的机械问题。”

虽然Lehnert描述了研究纯粹的好奇心,他指出,有一个被称为发展性协调障碍的人类神经发育障碍的影响之间的联系接触受体和大脑,因此可能有助于进一步阐明两者之间的相互作用。

Lehnert说:“这是我所希望的众多研究之一,这些研究将在机械层面上探索身体在发育过程中的表现变化。Celine和我都认为,在未来的某个时候,这可能会让我们更好地理解某些神经发育障碍。”

文章检索:

Mechanoreceptor synapses in the brainstem shape the central representation of touch

Reference: 11 October 2021, Cell.
DOI: 10.1016/j.cell.2021.09.023 

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