Cell：揭示声音和振动如何在大脑中汇聚以增强感觉体验

德国历史上著名的音乐家贝多芬在28岁时开始失去听力，44岁时失聪。虽然他的听力损失的原因仍然是一个科学争论和不断修订的话题，但有一件事是清楚的：科学家们认为，尽管贝多芬有听力损失，但他从未停止过作曲，这可能是因为他能够感知乐器的振动，并通过触觉“听到”音乐。

在一项新的研究中，来自哈佛医学院研究人员可能帮助解释是什么让贝多芬和其他音乐家在失去听力后发展出一种精致的触觉。他们的发现基于小鼠实验，为一种感觉的减弱如何以及为什么会增强另一种感觉提供了一条诱人的新线索。它们还为人们理解大脑和身体如何同步工作以同时处理多种感觉增添了令人惊讶的新转折。

相关研究结果于2024年12月18日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“The auditory midbrain mediates tactile vibration sensing”。

这项研究确定了大脑中一个称为下丘（inferior colliculus）的区域---在此之前，科学家们主要研究它在声音处理中的作用，也参与处理触摸信号，包括皮肤表面上的神经末梢检测到的机械振动。

这些作者的实验表明，皮肤中称为帕西尼小体（Pacinian corpuscles）的超灵敏机械感受器所感受到的高频机械振动并不仅仅被引导到躯体感觉皮层——大脑中处理身体感觉的区域。相反，这项研究发现，这些信号主要从身体传递到中脑的下丘。

论文通讯作者、哈佛医学院神经生物学系主任、神经生物学教授David Ginty说，“这是一个非常令人惊讶的发现，与触觉在大脑中的处理位置和方式的传统观点相悖。我们发现，中脑下丘的一个区域会处理振动，无论是作用于内耳的声波形式的振动，还是作用于皮肤的机械振动。当听觉和机械振动信号在这个大脑区域汇聚时，它们会放大感官体验，使其更加突出。”

检测振动的能力使整个动物王国的生物能够感知和应对环境中的微妙变化，例如感知和避免威胁，这对生存至关重要。例如，蛇通过将下颚压向地面来感知微妙的振动，从而检测猎物和捕食者的运动。感知振动的能力也对开发和完善更复杂的适应至关重要，例如在失去一种感觉后发生的大脑神经重新连接，以增强另一种感觉——例如，在视力丧失后产生的越来越敏锐的听觉。

这些作者表示，这一新发现在后一种情况下尤其重要，即失去一种感觉后发生的神经重新连接。这些见解可能会为开发增强听力损失患者触觉敏感性的假肢提供信息。

Ginty说，“将声音转换为帕西尼小体的频率范围内的触觉振动的设备可能为个人提供更大的感知和体验声音的能力。这类装置可能放置在身体周围，靠近帕西尼小体得神经元，使手、臂、脚、腿和身体产生声音诱发的不同频率机械振动。”

精密灵敏的振动探测器

这些发现强调了帕西尼小体的神经元作为躯体感觉系统重要组成部分的作用。它们独特而精致的结构是它们非凡灵敏度的关键。这使它们能够检测到哪怕是最轻微的机械振动。每个帕西尼小体有一个位于其中心的神经末梢，该神经末梢的周围是称为环层细胞（lamellar cell）的支持细胞层。

洋葱状的环层细胞膜层起着减震器的作用，使得帕西尼小体能够精确快速地对高频振动做出反应，同时抑制低频干扰。

论文第一作者、Ginty实验室研究员Erica Huey说，“进化将这些感受器放置在动物王国的不同位置，以适应不同的环境。在人类中，这些感受器位于指尖和脚的皮肤深处，而它们在大象的脚和躯干中有很高的水平。”

事实上，现有研究表明，大象能够通过脚垫和躯干皮肤检测到微小的地震振动。然而，在此之前，科学家们还无法记录清醒、自由运动的动物中帕西尼小体神经元的活动，因此很难全面了解这些神经元的真实敏感性以及哪些刺激会触发它们的激活。

Ginty实验室博士后研究员Josef Turecek领导的先前研究已表明，帕西尼小体神经元非常敏感，可以检测到手指在表面上运动产生的机械振动，甚至在数米之外。

这项新的研究建立在之前的工作基础上，探索来自帕西尼小体的信号如何在大脑中传输和处理。这些作者使用机械刺激器将不同频率的机械振动传递给小鼠的四肢或它们所站的平台，同时记录参与感觉处理的大脑区域中神经元的活动。

当比较位于两个不同大脑区域的神经元的反应时，他们发现丘脑腹后外侧核（ventral posterolateral nucleus, VPL）中的神经元对低频振动更敏感，其中VPL是感觉信息到达躯体感觉皮层之前的中继站。相比之下，下丘外侧皮层的神经元优先对高频振动作出反应。

为了探索皮肤中两种机械感受器——帕西尼小体和麦斯纳小体（Meissner corpuscles），对这两个大脑区域对高频和低频振动的不同反应的作用，这些作者研究了缺乏帕西尼小体或麦斯纳小体的转基因小鼠。

在没有帕西尼小体的小鼠中，下丘中的神经元对高频振动的反应明显减弱，这表明帕西尼小体在向该区域传递高频振动方面起着关键作用。

当他们将这些小鼠暴露在白噪声而不是机械振动中时，他们发现下丘中的神经元也有反应，这表明该区域同时处理听觉和躯体感觉刺激。

Ginty说，“事实上，我们观察到下丘中的神经元对触觉听觉组合刺激的反应比单独的触觉或听觉刺激更强烈。”

Ginty说，声音和触觉在中脑下丘的整合有助于解释人们如何在音乐会上既能听到音乐，又能从身体上感受到音乐，使这种结合的感官体验更加深刻。

从进化的角度来看，这种现象可能对生存至关重要，更多地了解它可以为自闭症和慢性神经病变等疾病的治疗提供信息，在这些疾病中，功能障碍会导致对触觉的超敏反应。

在未来的研究中，这些作者也很兴奋地探索这些发现是否为大脑适应能力提供线索，特别是研究有机体是否对振动感知产生了增强的敏感性，作为听力损失的一种补偿机制。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Erica L. Huey et al. The auditory midbrain mediates tactile vibration sensing. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.11.014.