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痒觉表征和感知的神经机制研究获进展

2021-12-07 脑科学与智能技术卓越创新中心
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  近期,The Journal of NeuroscienceNational Science Review上分别在线发表了题为《痒觉、机械觉和温度觉在初级躯体感觉皮层的复合化表征》和《初级躯体感觉皮层神经元的点燃式发放编码痒觉感知》的研究论文,该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心研究员孙衍刚研究组与研究员徐宁龙研究组合作完成,研究通过在体双光子钙成像技术,解析了痒觉等躯体感觉在初级躯体感觉皮层的表征机制,揭示了痒觉感知的神经机制。研究在自由活动的动物中探究了皮层对痒觉感知的编码机制,为深入理解大脑皮层对躯体感觉信息的处理和整合机制提供了重要基础。 

  躯体感觉对生理功能的正常执行十分重要,包括不同的感觉模态,如痛觉、温度觉、触觉等。对上述躯体感觉神经机制的研究是医学和神经科学领域的研究热点,但多模态躯体感觉的编码机制尚不清楚。此外,作为躯体感觉一种模态的痒觉,是机体一种重要的保护机制,然而痒觉感知在大脑的表征机制也不明确。 

  在躯体感觉研究领域,前人研究发现,外周传入神经元对不同躯体感觉刺激表现出复杂的反应特性,而大多脊髓神经元能够同时被温度觉、触觉、痒觉和痛觉等躯体感觉刺激激活,神经系统如何区分不同模态的躯体感觉?多数研究者认为,大脑皮层是实现不同躯体感觉之间区分的重要结构,其中初级躯体感觉皮层是最可能的位点之一。然而,由于前人研究受限于缺乏单细胞分辨率或者记录神经元的样本量偏小等因素,不同躯体感觉模态如何在初级躯体感觉皮层的神经元群体水平被解码尚不清楚。此外,痒觉在大脑中编码机制的研究大多在麻醉的动物中进行,这种情况下动物无法通过抓挠行为报告对痒觉的感知,因此初级躯体感觉皮层能否编码以及如何编码痒觉感知有待进一步探究。 

  为了回答初级躯体感觉皮层如何编码不同模态躯体感觉信息的问题,脑智卓越中心研究人员在给予实验小鼠痒觉、触觉或温度觉刺激的同时,利用在体双光子钙成像技术记录了初级躯体感觉皮层神经元的活动。研究发现,部分初级躯体感觉皮层神经元能够稳定响应触觉刺激或热刺激。通过建立一种光遗传诱导的精确控制感觉输入的痒觉模型,研究人员发现初级躯体感觉皮层神经元编码痒觉的时空特性和强度信息。进一步地,研究人员在记录同一群初级躯体感觉皮层神经元的同时随机给予小鼠痒觉、触觉和热刺激,发现不同模态的躯体感觉刺激激活了很大比例上重合的初级躯体感觉皮层神经元。研究人员对初级躯体感觉皮层神经元的群体活动进行了解码分析,发现初级躯体感觉皮层的神经元群体编码足够多的信息可以区分不同模态的躯体感觉。 

  为了解析自然状态下痒觉感知在初级躯体感觉皮层的表征机制,研究人员利用新型的微型双光子显微镜在自由活动的小鼠中进行单细胞分辨率的钙成像。研究发现,部分初级躯体感觉皮层神经元在痒觉诱发的抓挠行为起始前活性上升,并且一定比例的神经元在抓挠起始前的钙活动可以预测后续行为的发生,提示这群初级躯体感觉皮层神经元编码痒觉感知。利用光遗传诱导的痒觉输入精确操控方式,研究人员探究了初级躯体感觉皮层神经元在痒觉感知阈值附近的活动模式,发现一小群记录到的神经元在痒觉阈值上表现出“点燃”式的发放模式。 

  两项研究阐述了不同模态的躯体感觉在初级躯体感觉皮层的表征模式,为进一步理解多模态感觉信息在皮层的处理和整合机制提供了思路;揭示了初级躯体感觉皮层对痒觉感知的编码机制,为在自由活动的动物中研究痒觉感知的单细胞层面的神经环路机制开辟了道路。此外,工作建立的光遗传诱导的新型痒觉模型为痒觉研究提供了重要的方法学基础。 

  研究工作得到中科院、国家自然科学基金委员会以及上海市的资助。 

  (A)自由活动的小鼠中同时进行钙成像和抓挠行为记录的示意图。(B)微型双光子显微镜示意图。(C)双光子采集的初级躯体感觉皮层神经元图像。(D)对阈值痒觉刺激的两类初级躯体感觉皮层神经元的反应模式。(E)“点燃”式发放模式的初级躯体感觉皮层神经元。 

打印 责任编辑:阎芳

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