（圖：高中生物）

根據最近的研究，腦干和脊髓在處理觸覺信號時發揮著至關重要的作用。

我們做的幾乎所有事情都依賴于我們的觸覺，從簡單的家務到導航潛在的危險地形。長期以來，科學家們一直很好奇，我們用手和身體其他部位獲得的觸摸信息是如何進入大腦，從而產生我們的感覺的。然而，觸覺的關鍵方面，比如脊髓和腦干是如何參與接收、處理和傳輸信號的，仍然是未知的�，F在，哈佛醫學院研究人員的兩項研究為脊髓和腦干如何影響觸覺提供了重要的新認識。

研究發現，脊髓和腦干，之前被認為只是觸摸信息的中轉中心，在觸摸信號傳輸到更高階的大腦區域時，它們積極參與處理。

其中，在《Cell》雜志上的研究表明，脊髓中的特殊神經元形成了一個復雜的網絡，它處理輕觸——比如手擦過或臉頰上的輕啄——并將這些信息發送到腦干。在另一項發表在《Nature》雜志上的研究中，研究人員證實，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。

“這些研究將重點放在脊髓和腦干上，它們是觸覺信息整合和處理的地方，以傳達不同類型的觸覺。在此之前，我們還沒有完全認識到這些區域是如何幫助大腦表現振動、壓力和觸覺刺激的其他特征的，”David Ginty說，他是兩篇論文的通訊作者。

雖然這些研究是在嚙齒動物身上進行的，但觸摸機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知識可能對科學家研究人類疾病有用，比如以觸摸功能障礙為特征的神經性疼痛。

美國國家神經疾病和中風研究所(NINDS)的項目主任James Gnadt說:“這種對觸覺的詳細理解——即通過與皮膚接觸來感受世界——可能對理解疾病、紊亂和損傷如何影響我們與周圍環境互動的能力具有深遠的意義�！痹撗芯克鶠檫@項研究提供了部分資金。

被忽視和低估

關于觸覺的歷史觀點是，皮膚上的感覺神經元遇到壓力或振動等觸覺刺激，并以電脈沖的形式將信息直接從皮膚傳遞到腦干。在那里，其他神經元將觸摸信息傳遞給大腦的初級體感皮層——觸摸層次的最高層次——在那里它被加工成感覺。然而，Ginty和他的團隊想知道脊髓和腦干是否以及如何參與處理觸摸信息。這些區域占據了觸摸層次的最低層次，并結合起來形成了一個更間接的觸摸通道進入大腦。

“該領域的人認為，觸覺的多樣性和豐豐性僅僅來自皮膚中的感覺神經元，但這種想法繞過了脊髓和腦干，”Ginty實驗室的博士后、《Nature》雜志論文的第一作者Josef Turecek說。Turecek解釋說，許多神經科學家不熟悉脊髓神經元，稱為突觸后背柱(PSDC)神經元，它從脊髓投射到腦干，而且教科書傾向于將PSDC神經元從描繪觸摸細節的圖表中刪除。   

對于Ginty來說，脊髓和腦干在觸覺中被忽視的方式讓他想起了早期對視覺系統的研究。最初，研究視覺的科學家認為所有的處理過程都發生在大腦的視覺皮層。然而，事實證明，視網膜在視覺信息到達皮層之前就接受了視覺信息，并大量參與了這些信息的處理。Ginty說:“類似于對視覺系統的研究，這兩篇論文闡述了來自皮膚的觸摸信息是如何在脊髓和腦干中被處理的，然后再向上移動到更復雜的大腦區域�！�

把點連起來

在《Cell》雜志的論文中，研究人員使用了他們開發的一種技術，在小鼠經歷各種類型的觸摸時，同時記錄脊髓中許多不同神經元的活動。他們發現，在脊髓的感覺處理區域——背角上，超過90%的神經元對輕觸有反應�！斑@很令人驚訝，因為傳統觀點認為，脊髓淺層的背角神經元主要對溫度和疼痛刺激做出反應。我們還沒有意識到輕觸信息是如何在脊髓中分布的，”Ginty實驗室的研究員Anda Chirila說，她與研究生Genelle Rankin共同撰寫了這篇論文。

此外，這些對光的反應在背角中基因不同的神經元群體中有很大的差異，這些神經元被發現形成了一個高度互聯和復雜的神經網絡。這種反應的變化反過來又導致了由PSDC神經元從背角傳遞到腦干的觸摸信息的多樣性。事實上，當研究人員使各種背角神經元沉默時，他們發現PSDC神經元傳遞的輕觸信息的多樣性減少了。

Chirila說:“我們認為，關于觸摸如何在脊髓中編碼的信息，對于理解觸摸處理的基本方面很重要。脊髓是觸摸層次結構中的第一個位置�！�

在他們發表在《Nature》雜志上的另一項研究中，科學家們專注于觸覺層次的下一個階段:腦干。他們探索了從皮膚中的感覺神經元到腦干的直接通路和通過脊髓發送觸摸信息的間接通路之間的關系，正如《Cell》雜志論文中所描述的那樣。

Turecek說:“腦干神經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給腦干帶來哪些方面的觸摸�！�

為了解析這個問題，研究人員交替沉默了每個通路，并記錄了小鼠腦干中神經元的反應。實驗表明，直接通路對于傳遞高頻振動很重要，而間接通路則需要編碼皮膚上的壓力強度。

Turecek解釋說:“我們的想法是，這兩條通路在腦干中匯聚，神經元可以編碼振動和強度，所以你可以根據你有多少直接和間接輸入來塑造這些神經元的反應�！睋Q句話說，如果腦干神經元的直接輸入比間接輸入多，它們交流的振動就比強度大，反之亦然。

此外，研究小組發現，這兩種途徑都可以從同一小塊皮膚區域傳遞觸覺信息，在加入直接傳遞到腦干的振動信息之前，有關強度的信息通過脊髓繞道而行。通過這種方式，直接通路和間接通路共同工作，使腦干能夠形成來自同一區域的不同類型的觸摸刺激的空間表征。

到目前為止，“大多數人都將腦干視為觸覺的中繼站，甚至根本沒有在地圖上看到脊髓，”Ginty說。對他來說，新的研究“證明了脊髓和腦干中發生了大量的信息處理，而這種處理對于大腦如何表征觸覺世界至關重要�！彼�補充說，這種處理可能有助于腦干發送到體感皮層的觸摸信息的復雜性和多樣性。

接下來，Ginty和他的團隊計劃在清醒且有行為的小鼠身上重復實驗，在更自然的條件下測試這些發現。他們還想擴大實驗范圍，包括更多類型的真實世界的觸摸刺激，比如紋理和運動。

研究人員還對來自大腦的信息(例如動物的壓力、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，如自閉癥譜系障礙或神經性疼痛，在這些疾病中，神經功能障礙會導致對輕觸的超敏感。

Ginty說:“通過這些研究，我們已經為這些電路的工作原理及其重要性奠定了基礎�，F在我們有工具來解剖這些電路，以了解它們是如何正常運作的，以及當出現問題時發生了什么變化�！�        

“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