沿上行体感通路的振动触觉刺激的神经编码转换
研究背景
触觉振动编码的神经转换机制一直是神经科学研究的热点领域。日常生活中，我们通过对振动的感知获取外部环境的信息，例如手机振动提醒、汽车接近的提示等。哺乳动物的高频振动感知主要通过位于皮肤深层的帕奇尼小体（Pacinian corpuscles, PCs）来完成，这些感受器通过与脊髓背根神经节（dorsal root ganglia, DRG）中的感知神经元相连，将振动信号传递到中枢神经系统。然而，关于振动编码的时序性如何在中枢神经系统逐级转变为速率编码的具体机制尚不明确。为揭示这种编码转换的生物学基础，Kuo-Sheng Lee等人设计了一系列实验，详细探讨了振动信号在上行体感路径中转变的机制，特别是这一过程中丘脑的作用。该研究不仅揭示了体感路径中的神经编码转换的特征，还为神经假肢的触觉反馈提供了潜在的技术启发。
研究来源
本文由Kuo-Sheng Lee、Alastair J. Loutit、Dominica De Thomas Wagner等人完成，作者分别来自日内瓦大学基础神经科学系、台湾中央研究院生物医学科学研究所神经科学项目、弗里堡大学神经科学与运动科学系。论文于2024年10月9日发表在《Neuron》期刊上，且为开放获取（open access）文章，具有较强的学术影响力。
研究流程
研究的核心目的是解析在上行体感路径（ascending somatosensory pathway）中，振动信号的时序编码（temporal coding）如何转换为速率编码（rate coding）。实验主要在小鼠模型中进行，流程分为以下几个步骤：
电生理记录：研究团队首先在麻醉的小鼠上进行电生理记录，以分析触觉振动信号在体感路径各个层次的神经反应。振动刺激频率从100 Hz至1900 Hz不等，覆盖了哺乳动物触觉感知的典型范围。实验在低阈值机械感受器（low-threshold mechanoreceptors, LTMRs）和脊髓背柱核（dorsal column nuclei, DCN）中的二级神经元中，记录到了较为精确的时序编码，这些编码特征在丘脑（ventral posterolateral nucleus, VPL）逐渐丧失。
数据分析与编码转换：研究结果显示，时序编码在丘脑逐步转变为速率编码，这种转换主要依赖于丘脑中的抑制性神经网络，特别是位于丘脑网状核（thalamic reticular nucleus）中的钙结合蛋白（parvalbumin）阳性中间神经元。研究团队发现，这些神经元在特定频率上强化了神经元的选择性，削弱了振动信号的时序一致性。
脑干微刺激实验：研究人员在脑干的脊髓背柱核（DCN）上进行了微刺激实验，试图重现大脑皮层对振动信号的选择性反应。结果表明，通过对DCN的微刺激，能够在体感皮层（somatosensory cortex, S1）中引发类似振动信号的频率选择性反应，而直接在S1微刺激则无法实现。这表明DCN在振动频率的神经编码中具有重要地位。
行为实验：为了探讨时序编码的行为学意义，研究团队设计了一项频率辨别任务，通过微刺激DCN来替代振动刺激，观察小鼠能否进行频率区分。实验显示，小鼠在经过训练后，能够通过DCN的高频微刺激识别不同频率，这为神经假肢的应用提供了实验基础。
研究结果
通过上述实验，研究团队得出以下主要结论：
编码转换的关键位置：触觉振动信号的编码转换过程发生在丘脑层次，且这种转换主要依赖于丘脑的局部抑制回路。抑制性神经元通过抑制信号的时序一致性来增强频率选择性。
脑干在编码转换中的作用：通过对DCN的微刺激，可以模拟真实振动信号在大脑皮层中的频率选择性反应，这表明脑干是振动编码的关键节点。
神经假肢的应用潜力：通过DCN的精确微刺激，可以产生可感知的、具有频率区分能力的触觉反馈。这一发现可能为未来的神经假肢设备提供新的技术路线，即通过脑干微刺激来实现更为精确的触觉反馈。
研究的科学意义与应用价值
该研究揭示了振动信号的编码转换机制，并为振动感知的神经基础提供了新见解。在科学价值上，这一研究有助于深入理解体感系统中的信息处理机制，尤其是神经编码的逐级转换过程。研究发现的编码转换机制在视觉和听觉系统中也普遍存在，提示了感知系统的一般性编码规律。此外，实验结果为神经假肢的研发提供了新的策略，通过对脑干特定神经核团的微刺激，或可在未来的神经假肢设备中实现更精确的触觉反馈功能。这一技术将有助于改进截肢者和瘫痪患者的触觉反馈体验，具有重要的临床应用价值。