连发两篇顶级期刊，揭示脊髓和脑干在触摸中令人惊讶的新作用

　　

触觉对我们做的几乎所有事情都至关重要，从家里的日常工作到在可能隐藏危险的陌生地形上导航。长期以来，科学家们一直想弄清楚，我们用手和身体其他部位获得的触摸信息是如何进入大脑，从而产生我们的感觉的。然而，人们对触摸的关键方面——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，哈佛医学院的科学家们的两篇论文揭示了脊髓和脑干如何影响触觉的关键新见解。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大脑区域时，积极参与处理触摸信号。

11月4日发表在《Cell》杂志上的一项研究表明，脊髓中的特殊神经元形成了一个复杂的网络，它处理轻触——比如手的轻刷或脸颊上的轻啄——并将这一信息发送到脑干。现在，在11月23日发表在《自然》(Nature)杂志上的另一项研究中，研究人员发现，直接接触和间接接触途径共同作用，在脑干汇合，形成了触摸处理的方式。

“这些研究将重点放在脊髓和脑干上，这两个部位的触摸信息被整合和处理，以传递不同类型的触摸。在此之前，我们并没有充分认识到这些区域是如何影响大脑对振动、压力和触觉刺激的其他特征的表现的，”David Ginty说，他是HMS Blavatnik研究所神经生物学的Edward R.和Anne G. Lefler教授，也是两篇论文的资深作者。

尽管这些研究是在鼠类身上进行的，但触摸的机制在很大程度上是跨物种保守的，包括人类，这意味着触摸处理的基础知识可能对科学家研究人类状况有用，比如以触摸功能障碍为特征的神经性疼痛。

美国国家神经疾病和中风研究所(NINDS)的项目主任James Gnadt说:“这种对触觉的详细理解——即通过与皮肤接触来感受世界——可能对理解疾病、紊乱和损伤如何影响我们与周围环境互动的能力有深远的意义。”

被忽视和不被重视

触觉的历史观点是，皮肤上的感觉神经元遇到触摸刺激，如压力或振动，并将这一信息以电脉冲的形式直接从皮肤传递到脑干。在那里，其他神经元将触摸信息传递到大脑的初级体感皮层——触摸层次的最高层次——在那里，触摸信息被处理成感觉。

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。这些区域占据了触摸层次的最低层次，并结合起来形成了一个更间接的进入大脑的触摸通道。

“该领域的人们认为，触觉的多样性和丰丰性仅仅来自皮肤上的感觉神经元，但这种思维绕过了脊髓和脑干，”Ginty实验室的博士后Josef Turecek说，他是《Nature》杂志这篇论文的第一作者。

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，这种神经元从脊髓投射到脑干，而且教科书倾向于把PSDC神经元排除在描述触摸细节的图表之外，Turecek解释道。

对于Ginty来说，在触摸中脊髓和脑干被忽视的方式让人想起了视觉系统的早期研究。最初，研究视觉的科学家认为，所有的处理过程都发生在大脑的视觉皮层。然而，事实证明，视网膜在视觉信息到达大脑皮层之前就接受了它，它在处理这些信息时参与了很多。

Ginty说:“类似于对视觉系统的研究，这两篇论文探讨了来自皮肤的触摸信息如何在脊髓和脑干中被处理，然后再向上移动到更复杂的大脑区域。”

把这些点连起来

在《Cell》杂志的论文中，研究人员使用了他们开发的一种技术，在小鼠经历不同类型的触摸时，同时记录了脊髓中许多不同神经元的活动。他们发现超过90%的背角神经元——脊髓的感觉处理区域——对轻触有反应。

“这是令人惊讶的，因为传统上认为脊髓浅层的背角神经元主要对温度和疼痛刺激做出反应。我们还没有意识到轻触信息是如何在脊髓中分布的，”Ginty实验室的研究员Anda Chirila说，她与研究生Genelle Rankin共同撰写了这篇论文。

此外，这些对轻触的反应在背角中基因不同的神经元群体之间差异很大，这些神经元被发现形成了一个高度互联和复杂的神经网络。这种反应的变化，反过来又导致了由PSDC神经元从背角传递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，他们看到PSDC神经元传递的光接触信息的多样性减少了。

“我们认为，关于触摸是如何在脊髓中编码的信息，对于理解触摸处理的基本方面是很重要的，”Chirila说。脊髓是触摸层次结构中的第一个部位。

在他们发表在《Nature》杂志上的另一项研究中，科学家们专注于触摸层次的下一步:脑干。他们探索了从皮肤中的感觉神经元到脑干的直接通路和通过脊髓发送触摸信息的间接通路之间的关系，正如《Cell》杂志论文中所描述的那样。

Turecek说:“脑干神经元可以得到直接和间接的输入，我们真的很好奇触摸每个通路会给脑干带来哪些方面的影响。”

为了解析这个问题，研究人员交替地使每条通路沉默，并记录小鼠脑干神经元的反应。实验表明，直接通路对于传递高频振动是重要的，而间接通路则需要对皮肤上的压力强度进行编码。

Turecek解释说:“我们的想法是，这两种途径在脑干与可以编码振动和强度的神经元汇合，所以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。”换句话说，如果脑干神经元的直接输入多于间接输入，它们就会传递更多的振动而非强度，反之亦然。

此外，研究小组还发现，这两种途径都可以从同样小的皮肤区域传递触摸信息，强度信息绕过脊髓，然后再与振动信息结合，直接传递到脑干。通过这种方式，直接和间接通路一起工作，使脑干形成来自同一区域的不同类型的触摸刺激的空间表征。

真相浮出水面

到目前为止，“大多数人认为脑干是触觉的中继站，他们甚至根本没有在地图上看到脊髓，”Ginty说。对他来说，新的研究“证明了在脊髓和脑干中有大量的信息处理，而这种处理对于大脑如何呈现触觉世界是至关重要的。”

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和他的团队计划在清醒和有行为的鼠身上重复这些实验，在更自然的条件下测试这些发现。他们还想扩大实验范围，包括更多类型的现实世界的触摸刺激，如纹理和运动。

研究人员还对来自大脑的信息(例如动物的压力、饥饿或疲惫程度)如何影响触摸信息在脊髓和脑干中的处理方式感兴趣。鉴于触摸机制似乎在物种间都是保守的，这类信息可能与人类的情况特别相关，如自闭症谱系障碍或神经性疼痛，在这些情况下，神经功能障碍导致对轻触摸的过度敏感。

“通过这些研究，我们已经奠定了这些电路如何工作以及它们的重要性的基本构建模块，”Rankin说。“现在我们有了解剖这些电路的工具，以了解它们是如何正常运转的，以及当出现问题时什么发生了变化。”

Anda M. Chirila et al, Mechanoreceptor signal convergence and transformation in the dorsal horn flexibly shape a diversity of outputs to the brain, Cell (2022).