Science：大脑如何过滤干扰信号来协调动作

　　

当您正在阅读这篇文章时，您皮肤上的触觉感受器正在感知周围的环境。您穿的衣服、您坐的椅子、您使用的键盘，甚至是手指间的无意摩擦，每一次接触都会激活大量神经细胞。然而，除非刺激是特别出乎意料的，否则您的大脑会忽略许多输入信息。

如今，索尔克研究所（Salk Institute）的研究人员已经发现了哺乳动物大脑某个区域的神经元是如何帮助过滤掉干扰信号的（特别是手部信号），以协调灵巧的动作。这项研究结果于2021年10月14日发表在《Science》杂志上，可能对大脑如何过滤其他感官信息也有借鉴意义。

索尔克大学分子神经生物学实验室助理教授Eiman Azim称：“这些发现不仅有助于更好地了解我们的神经系统是如何与世界互动的，还能够帮助我们如何制造出更好的假肢和机器人，以及如何在患病或受伤后更有效地修复神经回路。”

科学家们早就知道，从投掷篮球到演奏乐器，都需要双手的信号输入才能协调灵巧的动作。在一个经典的实验中，志愿者的指尖被麻醉后，他们很难拿起并点燃一根火柴。

“人们常常会误解，认为大脑发送一个信号，你就会执行相应的动作。”Azim谈道。“但实际上，大脑会不断整合四肢和手指的反馈信息，并相应地调整其输出。”

这不难理解，如果大脑对身体发出的每一个信号都做出反应，它很快就会变得不堪重负。Azim及其同事想要确切地了解健康的大脑是如何进行筛选的，挑选出它需要考虑的触觉信号来协调一些灵巧的动作，比如操纵物体。

他们在小鼠身上使用了多种工具来研究了脑干中楔形核区域内的细胞，该区域是手部信号进入大脑的第一个区域。虽然我们知道感觉信息会通过楔形核，但研究小组发现，该区域的一组神经元实际上控制着有多少信息会最终传递到大脑其他部位。通过操纵这些回路，他们可以影响小鼠如何执行灵活的任务，比如拉绳子或学习分辨纹理。

这篇论文的第一作者James Conner表示：“楔形核通常被认为是一个中转站，信息只是通过它而已。然而，事实证明，感官信息实际上是在这个结构中被调节的。”

Conner和Azim继续展示了小鼠大脑皮层中的其他部分（也就是负责更复杂的适应性行为的区域）是如何反过来控制楔形核神经细胞，以指示它们过滤手部的感官信息的强度。

尽管经过了几十年的研究，但是目前的大多数假肢和机器人仍难以灵活地进行手部动作。研究人员表示，他们的工作有助于设计更好的流程，将人造手指的感觉信息整合到这些系统中，以提高它们的灵巧性。它还可能有助于理解一些感觉信息处理障碍。

“感觉系统已经进化到具有非常高的敏感性，以便最大限度地对外部威胁做出保护性反应。但我们自己的行为可以激活这些感觉系统，从而产生可能破坏我们预期行为的反馈信息，”Conner说。

Azim补充说：“我们经常被各种信息轰炸，大脑需要一些方法来决定哪些信息可以传递，哪些不可以。不仅仅是触觉反馈，还有视觉、嗅觉、听觉、温度和疼痛——我们在这个回路中所学到的知识，可能也适用于大脑如何调节这些类型的反馈。”

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James M. Conner, Andrew Bohannon, Masakazu Igarashi, James Taniguchi, Nicholas Baltar, Eiman Azim. Modulation of tactile feedback for the execution of dexterous movement. Science, 2021 DOI: 10.1126/science.abh1123