目前，科學(xué)家對脊髓背角(DH)中的觸覺編碼及其對大腦觸覺表征的影響知之甚少。使用應(yīng)用于皮膚的機(jī)械刺激、體內(nèi)電生理記錄和基因操作，近日，David Ginty團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)小鼠脊髓DH中的神經(jīng)元接收來自低閾值和高閾值機(jī)械感受器亞型的會聚輸入，并表現(xiàn)出六個(gè)功能不同的機(jī)械響應(yīng)，揭示了一個(gè)廣泛互連的DH網(wǎng)絡(luò)。他們的成果發(fā)表在最新一期的Cell雜志上，名為“Mechanoreceptor signal convergence and transformation in the dorsal horn flexibly shape a diversity of outputs to the brain”。

初級機(jī)械感覺神經(jīng)元的信號是了解觸覺的神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)。其中，科學(xué)家好奇的一個(gè)問題是，來自外周機(jī)械感受器亞型的信號在 CNS 中如何以及在何處組合以生成觸摸的感覺。新觀點(diǎn)是：來自生理上不同的機(jī)械感覺神經(jīng)元類型的信號，在體感層次結(jié)構(gòu)的早期聚合，從而生成復(fù)雜的觸覺特征。然而，我們?nèi)圆磺宄篋H 神經(jīng)元類型在體內(nèi)的響應(yīng)特性、DH 內(nèi)機(jī)械感受器亞型收斂的性質(zhì)和程度，以及 DH 機(jī)械感覺編碼在較高體感層次的觸覺表征中的貢獻(xiàn)。

DH中機(jī)械感覺反應(yīng)的功能多樣性

作者開發(fā)了一種用于體內(nèi)脊髓多電極陣列 (MEA) 電生理學(xué)的制劑，并同時(shí)記錄了數(shù)十個(gè)腰椎 DH 神經(jīng)元，同時(shí)向聚氨酯麻醉小鼠的足底后爪表面提供了控制良好的機(jī)械刺激（圖1A）。此外，不同力振幅和頻率的振動刺激被傳送到射頻中心。在分析的初始階段包括142 只小鼠的總共 5,060 個(gè)單元記錄（圖1C）。

值得注意的是，記錄的絕大多數(shù)腰椎 DH 神經(jīng)元(92%)做出廣泛響應(yīng)（圖1B）。使用無監(jiān)督聚類來評估這種功能多樣性的程度（圖1C）。該分析將 DH 單元分為六個(gè)主要功能組，這些功能組根據(jù)它們在整個(gè)壓痕強(qiáng)度范圍內(nèi)的響應(yīng)（圖1D-1I）和豐度（圖1J）進(jìn)行區(qū)分。

六個(gè)功能簇中的 DH 神經(jīng)元對壓痕的敏感性不同，敏感性和持續(xù)反應(yīng)分布在機(jī)械力空間中（圖1E和1H）。不同功能組內(nèi)的神經(jīng)元在層流深度上廣泛分布，不敏感單元駐留在表層，而敏感單元駐留在更深的DH中(圖1K)。

圖1. DH神經(jīng)元機(jī)械感覺反應(yīng)的功能多樣性

分析顯示，RF 區(qū)域因 DH 功能簇類型而異，并且完全是興奮性的，沒有抑制性環(huán)繞（圖2A–2C）。此外，最敏感的 DH 神經(jīng)元往往具有最大的 RF。數(shù)據(jù)表明初級的高度收斂機(jī)械感覺神經(jīng)元向單個(gè) DH 神經(jīng)元發(fā)出信號。

作者還研究了 DH 神經(jīng)元如何編碼機(jī)械振動（圖2D-2F）。只有一小部分機(jī)械敏感的 DH 神經(jīng)元 (~15%) 將其發(fā)射到高達(dá) 120 Hz 的振動 (圖2D、2E)。相比之下，隨著振動頻率增加到 120 Hz，所有簇中大多數(shù) DH 神經(jīng)元的敏感性增加（圖2D-2F）。

這些發(fā)現(xiàn)表明，大多數(shù) DH 神經(jīng)元直接或間接地接收會聚輸入，分別對 20-100 Hz 和 100-500 Hz 振動刺激最敏感。

圖2. DH神經(jīng)元功能類型的感受區(qū)與振動調(diào)諧

基因定義的DH神經(jīng)元亞型映射到功能定義的簇上

為了確定已知的DH 中間神經(jīng)元（基因定義）的特性是否與特定功能簇一致，作者將體內(nèi) MEA 記錄與基因定義的 DH 中間神經(jīng)元類型的光學(xué)標(biāo)記相結(jié)合（3A-3C），有選擇地記錄了 (1) 基于神經(jīng)遞質(zhì)身份細(xì)分的廣泛 DH 神經(jīng)元群體和 (2) 先前描述的形態(tài)和生理上不同的興奮性和抑制性 DH 中間神經(jīng)元類型的樣本（圖3D-3J）。然后將基因標(biāo)記的 DH 中間神經(jīng)元的體內(nèi)響應(yīng)特性和 RF 與由無偏聚類定義的 DH 功能類型進(jìn)行比較。

作者發(fā)現(xiàn) DH 抑制性中間神經(jīng)元比同時(shí)記錄的假定興奮性 DH 單元更敏感，并在更高的壓痕力下產(chǎn)生更持久的反應(yīng)（圖3G）。抑制性中間神經(jīng)元也表現(xiàn)出比興奮性中間神經(jīng)元更大的 RFs（圖3H）。

總之，這些發(fā)現(xiàn)表明機(jī)械敏感的 DH 神經(jīng)元分布廣泛，分為六個(gè)主要功能簇，可能對應(yīng)于一種或多種具有獨(dú)特內(nèi)在生理、形態(tài)和突觸特性的中間神經(jīng)元類型。

圖3.遺傳定義的中間神經(jīng)元映射到 DH 神經(jīng)元功能類型

感覺誘發(fā)的前饋和反饋抑制回路對DH神經(jīng)元反應(yīng)具有廣泛的控制作用

為了定義局部 DH 回路在塑造 DH 中間神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元的反應(yīng)中的作用，作者評估了初級傳入神經(jīng)元和 PSDC 輸出神經(jīng)元之間的突觸連接，以及Rorβ 和 PVi 抑制中間神經(jīng)元對前饋和反饋抑制的貢獻(xiàn)（圖4A）。

Rorβ 中間神經(jīng)元的光遺傳學(xué)刺激誘發(fā)了強(qiáng)烈的單突觸 IPSC（圖4F和4G），且直接抑制了鄰近 PSDC 的活動和興奮性（圖4H）。相反，PVi 神經(jīng)元的光遺傳學(xué)激活未能在 PSDC 神經(jīng)元中直接激發(fā)單突觸 IPSC（圖4K）。

圖4. 感覺誘發(fā)的前饋和反饋抑制回路對 DH 神經(jīng)元反應(yīng)具有廣泛的控制作用

結(jié) 論

作者結(jié)合大規(guī)模體內(nèi)電生理學(xué)和一系列功能操作來評估脊髓 DH 中間神經(jīng)元和輸出神經(jīng)元機(jī)械反應(yīng)類型的多樣性和功能。觀察了六種機(jī)械敏感的 DH 神經(jīng)元功能類型，基于它們的敏感性、強(qiáng)直和機(jī)械誘發(fā)的放電模式以及 RF 區(qū)域和形狀。

先前鑒定的基因標(biāo)記的中間神經(jīng)元亞型的樣本表明它們主要映射到一個(gè)或幾個(gè)功能類別。功能不同的 DH 中間神經(jīng)元類型接收廣泛收斂的 LTMR 和 HTMR 輸入，并形成一個(gè)高度互連的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用于靈活地塑造 PSDC 輸出的響應(yīng)特性的多樣性。作者還表明，復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的 DH 網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)械感覺信號轉(zhuǎn)換決定了作用在皮膚上的機(jī)械力如何在大腦中表現(xiàn)出來。

參考文獻(xiàn)

Chirila AM, Rankin G, Tseng SY, Emanuel AJ, Chavez-Martinez CL, Zhang D, Harvey CD, Ginty DD. Mechanoreceptor signal convergence and transformation in the dorsal horn flexibly shape a diversity of outputs to the brain. Cell. 2022 Nov 23;185(24):4541-4559.e23. doi: 10.1016/j.cell.2022.10.012. Epub 2022 Nov 4. PMID: 36334588; PMCID: PMC9691598.

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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