PNSA触觉神经元并没有人们想象的那么“挑剔”

研究人员过去认为，每个神经元都能精确地对不同类型的触摸做出反应。通过研究老鼠的胡须，西北大学的研究小组现在发现，几乎所有的初级触摸敏感神经元都对广泛的运动以及运动和力量的组合做出反应。

　　

    

   研究人员用广泛的动作和力量，手动刺激老鼠的胡须，以了解初级触觉神经元是如何传递触觉的。

研究人员过去认为，个体的初级触摸敏感能够对特定类型的触摸做出灵活的反应。现在美国西北大学的一项研究发现，触觉敏感神经元以一种更加混乱的方式进行触觉交流。

在这项研究中，研究小组开发了一种新技术，以三维方式刺激老鼠的胡须，同时记录老鼠大脑中的第一阶段触觉敏感神经元。研究人员发现，这些神经元并非需要对不同类型的触摸做出反应，而是首先收到早期触摸信号的神经元，对多种触摸都有不同程度的反应。

这项研究今天在线发表在《PNAS》上。

西北大学的Mitra Hartmann是该研究的资深作者之一，他说:“许多人过去认为，每个神经元都对触摸刺激的某些方面非常精确地调节。我们根本没有发现。有些神经元对刺激的某些特征的反应比其他神经元更强烈，因此存在某种程度的调节。但这些神经元会对施加在胡须上的不同力和扭矩的许多组合做出反应。”

“当我们比较所有记录的神经元时，我们发现它们对刺激的反应相互重叠，但并不完美，”该论文的第一作者Nicholas Bush补充说。“这就像画家的调色板:我们希望找到一些‘原色’，其中一个神经元可能是几种不同的颜色之一。但我们发现‘调色板’已经混合在一起了。每个神经元与其他所有神经元都有一点不同，但它们加在一起就涵盖了整个光谱。”

Hartmann是西北大学麦考密克工程学院生物医学和机械工程教授，她是机器人和生物系统中心的成员。Bush以前是Hartmann实验室的博士候选人，现在是西雅图儿童研究所的博士后研究员。西北大学范伯格医学院(Northwestern University Feinberg School of medicine)生理学教授、温伯格文理学院(Weinberg College of Arts and Sciences)物理学和天文学教授Sara Solla是这项研究的另一位资深作者。

之前的研究“过于局限和简化”

只需用胡须刷一刷，老鼠就能从周围环境中提取详细信息，包括物体的距离、方向、形状和纹理。这种敏锐的能力使老鼠的感觉系统成为研究机械(移动的胡须)和感觉输入(发送到大脑的触摸信号)之间关系的理想选择。尽管使用胡须系统来探索触摸的奥秘已经很流行了，但许多长期存在的问题仍然存在。

虽然大脑的大部分区域是专门处理触觉信号的，但首先获得触觉信息的初级感觉神经元的数量相对较少，人们对此知之甚少。Bush说:“这是一个‘信息瓶颈’。我们想知道触觉神经元是如何在这种瓶颈下获取和表达复杂信息的。”

虽然之前的研究已经探索了神经元是如何对受刺激的胡须做出反应的，但这些研究无法真实地复制自然的触摸。例如，在许多研究中，研究人员剪下一只被麻醉的老鼠的胡须，长度约为一厘米，然后精确地来回移动胡须，每次微米。

Hartmann说:“这根本没有体现胡须的全部灵活性。这不是老鼠在自然环境中的活动方式。这是一种精确的刺激，能给出精确的反应，但它太局限和简化了。”

新的综合技术

然而，在西北大学的研究中，研究人员保留了胡须的完整，并通过一系列全面的运动、方向、速度和力，在整个胡须上上下下地手动刺激它。研究人员使用植入电极来测量接收触觉信号的神经元的电活动，量化这些神经元对广泛的机械信号的反应，更接近真实的老鼠在自然环境中的体验。最终，他们发现所有的神经元对所有不同类型的刺激都有反应——尽管有些比其他的多。

Bush说:“这一发现表明，触觉可能具有非常复杂的触觉功能，因为在信息到达大脑的高级处理中心之前，它在感官获取的第一阶段不会丢弃或过滤太多的信息。相反，这些早期感觉神经元传递的是一种高保真的——但‘混乱’或‘混乱’的——表征。大脑必须有能力，而且显然有能力，将这些混杂的信息整理出来，并将其与所有其他可获得的信息协调起来，以解释触觉。”

接下来，Hartmann和她的团队计划将这一新发现与WHISKiT结合起来，这是她的实验室最近开发的第一个老鼠胡须的3D模拟系统。

Hartmann说:“我们可以使用WHISKiT模型来模拟在自然的搅拌行为中会出现的机械信号，然后模拟第一阶段的触摸神经元是如何对这些机械信号作出反应的。模拟场景将基于我们在这项最新研究中发现的结果。”

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原文检索：Continuous, multidimensional coding of 3D complex tactile stimuli by primary sensory neurons of the vibrissal system