身體的某些部位更敏感，例如手和嘴唇，它們成為我們辨別周圍世界最複雜細節能力的重要工具。這種能力是我們生存的關鍵，使我們能夠安全地在周圍環境中航行，迅速瞭解和應對新的情況。大腦為這些敏感的皮膚表面提供了相當大的表徵空間，這些皮膚表面專門用於精細的、有識別力的觸控，並透過支配它們的感覺神經元不斷收集詳細資訊。但是，感覺神經元和大腦之間的聯絡如何導致如此極其敏感的皮膚呢？
在一項新的研究中，來自美國哈佛醫學院的研究人員以小鼠為研究物件，揭示了一種新的機制，它可能是某些皮膚區域更敏感的基礎。相關研究結果於 2021 年 10 月 11 日線上發表在Cell 期刊上，論文標題為 “Mechanoreceptor synapses in the brainstem shape the central representation of touch”。
研究人員發現在小鼠大腦中敏感皮膚表面的過度表徵（overrepresentation）是在青春期早期形成的，可以精確定位到腦幹。此外，定居於皮膚較敏感部位並向腦幹傳遞資訊的感覺神經元比身體較不敏感部位中的神經元形成更多的連線和更強的連線。
論文通訊作者、哈佛醫學院神經生物學教授 David Ginty 說，“這項研究針對為何更多的大腦表徵空間用於具有高觸控敏銳度的皮膚表面提供了機制上的理解。基本上，這是一種有助於解釋為何一個人在身體需要更強的感覺敏銳度的部位有這種感覺敏銳度的機制。”
雖然這項研究是在小鼠身上進行的，但敏感的皮膚區域在大腦中的過度表徵在整個哺乳動物中都可以看到，這表明該機制可能會被推廣到其他物種。
從進化的角度來看，哺乳動物的身體形態有很大的不同，這也轉化為不同皮膚表面的敏感性。例如，人類有高度敏感的手和嘴唇，而豬用高度敏感的鼻子探索世界。因此，Ginty 認為這一機制可能為不同物種提供發育靈活性，以便不同的皮膚區域產生敏感性。此外，這些發現雖然是基礎性的，但有朝一日可能有助於闡明在人類某些神經發育障礙中看到的觸覺異常現象。
人軀體感覺拓撲圖（somatosensory homunculus）是人類身體部位和大腦中處理來自這些身體部位的訊號的相應區域的示意圖，包括卡通般的超大手和嘴唇。以前，人們認為敏感的皮膚區域在大腦中的過度表徵可能是由於支配這些皮膚區域的神經元的密度更高。然而，Ginty 實驗室的早期研究發現，雖然敏感皮膚確實含有更多的神經元，但這些額外的神經元並不足以解釋額外的大腦表徵空間。
論文共同第一作者、哈佛醫學院神經生物學研究員 Brendan Lehnert 說，“我們注意到，與我們預期的相比，支配敏感皮膚的神經元數量非常少。這是不合情理的。”
圖片來自 Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.09.023。
為了瞭解這一矛盾，研究人員在小鼠身上進行了一系列的實驗，包括在神經元受到不同方式的刺激時對大腦和神經元進行成像。首先，他們研究了不同的皮膚區域在整個發育過程中如何在大腦中表徵。在發育早期，小鼠爪子上敏感的無毛皮膚與感覺神經元的密度成正比。然而，在青春期和成年期之間，這種敏感的皮膚在大腦中的過度表徵越來越高，儘管神經元的密度保持穩定 — 這種轉變在不太敏感的、有毛的爪子皮膚上沒有看到。
Lehnert 補充，“在這些出生後的發育時間點上看到這些變化真是出乎意料。這可能只是出生後發育過程中的許多變化之一，這些變化對讓我們能夠表徵周圍的觸覺世界並幫助我們獲得透過感覺運動迴路操縱世界上的物體的能力非常重要，而觸覺是這種感覺運動迴路的一個特別的部分。”
接下來，研究人員確定，腦幹– 位於大腦底部的區域，將資訊從感覺神經元傳遞到更復雜、更高階的大腦區域 –是敏感皮膚表面擴大表徵發生的部位。這一發現使他們認識到：敏感皮膚的過度表徵必須來自感覺神經元和腦幹神經元之間的連線。
為了進一步探究，研究人員比較了不同型別爪子皮膚的感覺神經元和腦幹神經元之間的連線。他們發現與不太敏感的有毛皮膚相比，敏感的無毛皮膚的感覺神經元與腦幹神經元之間的這些連線更強，數量更多。因此，他們得出結論，神經元之間的連線強度和數量在推動敏感皮膚在大腦中的過度表徵方面起著關鍵作用。最後，即使敏感皮膚的感覺神經元沒有受到刺激，小鼠仍然在大腦中出現擴大表徵，這表明皮膚型別，而不是長期的觸控刺激，導致這些大腦變化。
Ginty 說，“我們認為我們發現了這種擴大表徵的一個組成部分，它解釋了感覺空間的不成比例的中心表徵（central representation）。這是一種思考這種擴大作用如何產生的新方法。”
接下來，研究人員希望調查不同的皮膚區域如何告訴支配它們的神經元採取不同的屬性，例如當它們支配敏感皮膚時形成更多和更強的連線。
雖然 Lehnert 將這項研究描述為純粹的好奇心驅動，但他指出，在人類中有一類普遍的神經發育障礙，即影響觸覺受體和大腦之間關聯性的發育協調障礙（developmental coordination disorder），可能會從進一步闡明這兩者之間的相互作用中受益。
Lehnert 說，“我希望這樣的研究有很多，它們將在機制上探索身體在發育過程中的表徵方式的變化。Santiago 和我都認為這可能會在未來的某個時候導致對某些神經發育障礙的更好理解。”
參考資料：
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 編譯：