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为何身体某些部位对触摸如此敏感?

身体的某些部位更敏感,例如手和嘴唇,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,迅速了解和应对新的情况。大脑为这些敏感的皮肤表面提供了相当大的表征空间,这些皮肤表面专门用于精细的、有识别力的触摸,并通过支配它们的感觉神经元不断收集详细信息。但是,感觉神经元和大脑之间的联系如何导致如此极其敏感的皮肤呢?

在一项新的研究中,来自美国哈佛医学院的研究人员以小鼠为研究对象,揭示了一种新的机制,它可能是某些皮肤区域更敏感的基础。相关研究结果于 2021 年 10 月 11 日在线发表在Cell 期刊上,论文标题为 “Mechanoreceptor synapses in the brainstem shape the central representation of touch”。

研究人员发现在小鼠大脑中敏感皮肤表面的过度表征(overrepresentation)是在青春期早期形成的,可以精确定位到脑干。此外,定居于皮肤较敏感部位并向脑干传递信息的感觉神经元比身体较不敏感部位中的神经元形成更多的连接和更强的连接。

论文通讯作者、哈佛医学院神经生物学教授 David Ginty 说,“这项研究针对为何更多的大脑表征空间用于具有高触摸敏锐度的皮肤表面提供了机制上的理解。基本上,这是一种有助于解释为何一个人在身体需要更强的感觉敏锐度的部位有这种感觉敏锐度的机制。”

虽然这项研究是在小鼠身上进行的,但敏感的皮肤区域在大脑中的过度表征在整个哺乳动物中都可以看到,这表明该机制可能会被推广到其他物种。

从进化的角度来看,哺乳动物的身体形态有很大的不同,这也转化为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 认为这一机制可能为不同物种提供发育灵活性,以便不同的皮肤区域产生敏感性。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看到的触觉异常现象。

人躯体感觉拓扑图(somatosensory homunculus)是人类身体部位和大脑中处理来自这些身体部位的信号的相应区域的示意图,包括卡通般的超大手和嘴唇。以前,人们认为敏感的皮肤区域在大脑中的过度表征可能是由于支配这些皮肤区域的神经元的密度更高。然而,Ginty 实验室的早期研究发现,虽然敏感皮肤确实含有更多的神经元,但这些额外的神经元并不足以解释额外的大脑表征空间。

论文共同第一作者、哈佛医学院神经生物学研究员 Brendan Lehnert 说,“我们注意到,与我们预期的相比,支配敏感皮肤的神经元数量非常少。这是不合情理的。”

图片来自 Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.09.023。

为了了解这一矛盾,研究人员在小鼠身上进行了一系列的实验,包括在神经元受到不同方式的刺激时对大脑和神经元进行成像。首先,他们研究了不同的皮肤区域在整个发育过程中如何在大脑中表征。在发育早期,小鼠爪子上敏感的无毛皮肤与感觉神经元的密度成正比。然而,在青春期和成年期之间,这种敏感的皮肤在大脑中的过度表征越来越高,尽管神经元的密度保持稳定 — 这种转变在不太敏感的、有毛的爪子皮肤上没有看到。

Lehnert 补充,“在这些出生后的发育时间点上看到这些变化真是出乎意料。这可能只是出生后发育过程中的许多变化之一,这些变化对让我们能够表征周围的触觉世界并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非常重要,而触觉是这种感觉运动回路的一个特别的部分。”

接下来,研究人员确定,脑干– 位于大脑底部的区域,将信息从感觉神经元传递到更复杂、更高阶的大脑区域 –是敏感皮肤表面扩大表征发生的部位。这一发现使他们认识到:敏感皮肤的过度表征必须来自感觉神经元和脑干神经元之间的连接。

为了进一步探究,研究人员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连接。他们发现与不太敏感的有毛皮肤相比,敏感的无毛皮肤的感觉神经元与脑干神经元之间的这些连接更强,数量更多。因此,他们得出结论,神经元之间的连接强度和数量在推动敏感皮肤在大脑中的过度表征方面起着关键作用。最后,即使敏感皮肤的感觉神经元没有受到刺激,小鼠仍然在大脑中出现扩大表征,这表明皮肤类型,而不是长期的触摸刺激,导致这些大脑变化。

Ginty 说,“我们认为我们发现了这种扩大表征的一个组成部分,它解释了感觉空间的不成比例的中心表征(central representation)。这是一种思考这种扩大作用如何产生的新方法。”

接下来,研究人员希望调查不同的皮肤区域如何告诉支配它们的神经元采取不同的属性,例如当它们支配敏感皮肤时形成更多和更强的连接。

虽然 Lehnert 将这项研究描述为纯粹的好奇心驱动,但他指出,在人类中有一类普遍的神经发育障碍,即影响触觉受体和大脑之间关联性的发育协调障碍(developmental coordination disorder),可能会从进一步阐明这两者之间的相互作用中受益。

Lehnert 说,“我希望这样的研究有很多,它们将在机制上探索身体在发育过程中的表征方式的变化。Santiago 和我都认为这可能会在未来的某个时候导致对某些神经发育障碍的更好理解。”

参考资料:
Brendan P. Lehnert et al. Mechanoreceptor synapses in the brainstem shape the central representation of touch. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.09.023.

撰文 | John  编译:生物谷

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