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振动在自然界中无处不在，影响着整个动物界的行为表现。对于哺乳动物而言，作用于身体的机械振动由皮肤及深层组织的机械感受器探测，并由躯体感觉系统进行处理；而在空气中传播的声波则由耳蜗捕获，并在听觉系统中进行编码。
基于此，2024年12月18日哈佛医学院神经生物学系David D. Ginty研究团队在Cell杂志发表了“The auditory midbrain mediates tactile vibration sensing”揭示了中脑听觉中枢介导触觉振动感知。
作者报道，由身体的帕西尼氏小体神经元探测到的机械振动（其特点是能够与高频，即40至1000赫兹的环境振动同步），主要是由中脑下丘外侧皮质（LCIC）的神经元进行编码的。大多数下丘外侧皮质神经元会接收汇聚而来的帕西尼氏小体相关输入和听觉输入，并且相较于单独的某一种感觉模式刺激，对同时出现的触觉—听觉联合刺激反应更为强烈。此外，下丘外侧皮质对于针对高频机械振动的行为反应是必不可少的。因此，由帕西尼氏小体捕获的环境振动会在中脑听觉中枢进行编码，进而介导行为。
简介
帕西尼氏小体（Pacinian Corpuscle）又称环层小体，是一种位于皮肤真皮乳头层和皮下组织的感觉神经末梢，呈椭圆形或圆形，由多层扁平细胞同心圆排列而成，中央有一条均质状的圆柱体，是神经纤维的终末。帕西尼氏小体神经元的树突与帕西尼氏小体相连，轴突则将感觉信息传递到中枢神经系统，主要分布在手指、手掌、脚底等皮肤较厚的部位，以及关节、肌腱、韧带等深部组织中。
迈斯纳氏小体（Meissner's Corpuscle），也称为触觉小体，是一种专门化的机械感受器，主要负责检测轻触和低频振动。
图一 LCIC神经元和腹后外侧核神经元对机械振动刺激有不同的调谐特性
不同群体的背柱核（DCN，位于延髓和上段颈髓内的三个主要的神经核团）神经元会将轴突投射至丘脑腹后外侧核（VPL）或LCIC。为了比较作用于身体的机械振动是如何在LCIC和VPL中呈现的，在麻醉动物的这些脑区进行了体内多电极阵列（MEA）记录。首先轻刷动物以识别那些包含肢体感受野的神经元。随后，利用机械刺激器将不同频率和振幅的正弦机械振动施加于动物肢体。振动会被施加到神经元感受野中反应最强烈的区域，即“热点”区域。在VPL中，振动感受野往往是局部区域，比如单个脚垫或趾头。相比之下，LCIC神经元的感受野没有局部热点，而是在空间上分布较为广泛。接着，以10-900赫兹的频率及2-50毫牛的力来施加振动刺激。大多数VPL神经元对低频振动反应强烈，但对高频振动仅产生瞬时反应。与VPL神经元相比，LCIC神经元呈现出相反的反应模式，大多数神经元对低频振动产生瞬时反应，但对高频刺激（200-900赫兹）会强烈放电。虽然许多投向LCIC的DCN投射神经元能与10 - 500赫兹的振动频率同步，但LCIC神经元对低频刺激仅产生瞬时反应，这表明在DCN和LCIC之间存在一种突触过滤机制，该机制更倾向于让高频振动刺激通过。此外，尽管LCIC神经元对高频振动反应强烈，但它们几乎没有表现出同步现象。接下来使用四针脚多电极阵列对VPL进行躯体定位图谱绘制，以寻找高频振动反应，结果表明高频振动信息在LCIC中尤为显著。为了评估VPL和LCIC中机械力阈值与振动频率之间的关系，通过确定不同振动频率下单个神经元的力阈值，获取了对振动敏感的VPL和LCIC神经元的力-频率调谐曲线。VPL神经元对50 - 200赫兹之间的振动具有最低的力阈值，而LCIC神经元对300 - 500赫兹之间的振动具有最低的力阈值。VPL神经元对50Hz的低频振动有较强的反应，而对500Hz的高频振动反应较弱。相反，LCIC神经元对500Hz的高频振动有较强的反应，而对50Hz的低频振动反应较弱。这些结果表明VPL和LCIC在处理不同频率的机械振动信息上有不同的功能。VPL主要处理低频振动信息，而LCIC主要处理高频振动信息。
图二 LCIC的振动反应是由帕西尼氏小体Aβ RA2-低阈值机械感受器（LTMRs）介导的
为了直接测试初级感觉神经元活动与LCIC和VPL中振动调谐之间的关系，作者利用小鼠基因工具来评估帕西尼氏小体和迈斯纳氏小体对LCIC和VPL反应的作用。首先在背根神经节（DRG）神经元中缺乏Ret基因的AvilCre; RetfloxGFP/floxGFP（Ret条件性敲除，Ret cKO）小鼠缺失帕西尼氏小体。相反，TrkB信号对于迈斯纳氏小体的形成是必要的，所以AvilCre; TrkBflox/flox（TrkB条件性敲除，TrkB cKO）小鼠缺失迈斯纳氏小体。在TrkB cKO和Ret cKO小鼠中记录到的VPL神经元，其振动调谐曲线并没有出现明显变化。虽然TrkB cKO和Ret cKO小鼠的VPL神经元在某些振动频率下的结束反应幅度有所降低，但反应的起始阶段和持续阶段并没有显著差异。VPL神经元很可能通过来自迈斯纳氏小体和帕西尼氏小体的LTMRs或者其他对振动敏感的LTMRs的输入来对机械振动产生敏感反应。在缺失帕西尼氏小体的动物中，LCIC神经元的振动反应几乎消失了，在缺失迈斯纳氏小体的小鼠中，LCIC的反应是正常的。Ret cKO动物中的LCIC神经元对于以最大作用力施加的高频振动仍保留了少量的反应性。此外，剩余的对振动的起始反应可能表明，除了与帕西尼氏小体相关的LTMRs之外，其他的LTMRs也对LCIC的起始反应有贡献。迈斯纳氏小体和帕西尼氏小体分别与TrkB和Ret基因紧密相关，并且这些基因对VPL和LCIC神经元在不同频率振动下的反应特性（包括放电率和反应阈值）有着重要的调节作用。
图三 一种评估对高频环境振动的行为响应的行为范式
LCIC被认为在介导针对听觉线索的防御行为方面发挥着作用。为了开始探究LCIC是否能够驱动对高频机械振动的行为反应，作者开发了一种行为偏好测定法，该方法依赖于动物探测并对环境中的高频机械振动做出反应的能力。将动物放置在一个双室行为测试装置中，其中一个室的地板会以500赫兹的频率振动，这一刺激能够强烈激活帕西尼氏小体传入神经以及清醒动物的大多数下丘外侧皮质神经元。在每个室都安装了加速度计，以确认各次试验间刺激的一致性以及振动是否仅局限于室的一侧。野生型动物对无振动的室表现出明显的偏好，当振动刺激开启时，它们大约80%的时间都待在无振动的室内。在测试的两种小鼠品系（C57/Bl6和CD-1小鼠）中都存在这种回避行为，而且在初次行为测定一周后再次接受测试的动物中，这种回避行为依然存在。此外，胡须被修剪的动物所表现出的偏好与对照动物相当，这表明胡须对于该行为而言并非是必需的。由于产生500赫兹的振动时会同时产生一个低振幅的500赫兹的听觉音调，作者还进行了仅有声音的对照实验。将振动电机与室的地板分离，这样就能在没有表面振动的情况下产生类似的声音。在仅有声音的实验范式中，动物对室的刺激侧并未表现出厌恶，这表明仅声音本身并不会驱动偏好的产生。为了测试对高频机械振动的回避行为是否依赖于帕西尼氏小体，使用缺失帕西尼氏小体的Ret条件性敲除（Ret cKO）小鼠进行了行为偏好测定实验。Ret cKO小鼠对室的无振动侧相较于振动侧并没有表现出偏好，这表明对500赫兹振动刺激的回避行为依赖于帕西尼氏小体。
图四 LCIC介导对高频机械振动的行为回避
接下来，利用依赖帕西尼氏小体的振动位置偏好实验来探究对500赫兹机械振动的行为反应是否依赖于IC。双侧注射荧光标记的γ-氨基丁酸A（GABAA）受体激动剂蝇蕈醇，来抑制下丘中的神经活动。通过在注射蝇蕈醇或对照生理盐水前后对清醒状态下的下丘外侧皮质LCIC进行记录，来评估蝇蕈醇对抑制神经活动的效果。蝇蕈醇注射明显降低了LCIC神经元对触觉振动和声音的反应。下丘被抑制的小鼠表现出正常的运动活动，在实验过程中其移动距离与对照组相当。令人惊讶的是，与缺失帕西尼氏小体的小鼠一样，下丘被抑制的小鼠相较于注射生理盐水的对照组，并未表现出对振动刺激的回避行为，这表明下丘对于高频机械振动的行为反应是必不可少的。为了确定下丘是介导一般性的行为回避，还是其抑制作用仅针对振动刺激具有特异性，还测试了下丘抑制是否会改变对其他躯体感觉刺激的回避情况。作者首先在注射生理盐水和蝇蕈醇的小鼠中进行了质地偏好实验。在一个双室装置中，室的一侧覆盖着光滑的美术纸，而另一侧覆盖着粗糙的砂纸，后者是令小鼠厌恶的。在下丘注射生理盐水或蝇蕈醇的小鼠都对室的光滑一侧表现出偏好，这表明下丘对于回避厌恶的质地并非是必需的。作者还进行了低温回避测试，让小鼠在一个保持室温（30℃）的室和一个保持18℃的室之间进行选择。与质地偏好实验类似，对照组和下丘被抑制的动物都对低温室表现出明显的回避行为。这些发现表明，下丘介导对高频机械振动的行为反应，但对于回避令人厌恶的质地或温度而言并非是必需的。
总结
图五 全文摘要图
帕西尼氏小体在捕捉高频振动方面的角色，以及这些触觉信号如何与听觉信息在大脑中特定区域汇聚，从而影响我们的感知和行为。这种跨感官的信息整合对于复杂环境下的感知和反应非常重要。中脑听觉中枢，这是在整个感知机制中起关键作用的脑部区域。承担着介导触觉振动感知的任务，意味着它参与了将外界通过触觉感受到的振动信息进行处理、传导以及整合等一系列过程，使得机体能够对触觉振动有所感知。体现了触觉与听觉相关神经机制之间的联系，暗示触觉振动感知并非单纯依靠传统的躯体感觉通路，而是和中脑听觉中枢有紧密关联，可能存在跨感觉模态的信息整合及协同作用，来共同完成对振动的感知这一功能。从生物学或神经科学角度来看，揭示了一种新的感觉感知机制，拓展了人们对于大脑如何处理不同感觉信息、不同感觉系统之间如何协作的认识，为进一步深入研究感觉感知的神经基础以及相关疾病（若该机制出现异常可能引发的感知障碍类疾病等）提供了重要线索。
文章来源
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.11.014
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