Cell：作用在皮肤上的机械力如何在大脑中表征？新研究揭示机械反应类型的多样性
目前，科学家对脊髓背角(DH)中的触觉编码及其对大脑触觉表征的影响知之甚少。使用应用于皮肤的机械刺激、体内电生理记录和基因操作，近日，David Ginty团队发现小鼠脊髓DH中的神经元接收来自低阈值和高阈值机械感受器亚型的会聚输入，并表现出六个功能不同的机械响应，揭示了一个广泛互连的DH网络。他们的成果发表在最新一期的Cell杂志上，名为“Mechanoreceptor signal convergence and transformation in the dorsal horn flexibly shape a diversity of outputs to the brain”。
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初级机械感觉神经元的信号是了解触觉的神经生物学的基础。其中，科学家好奇的一个问题是，来自外周机械感受器亚型的信号在 CNS 中如何以及在何处组合以生成触摸的感觉。新观点是：来自生理上不同的机械感觉神经元类型的信号，在体感层次结构的早期聚合，从而生成复杂的触觉特征。然而，我们仍不清楚：DH 神经元类型在体内的响应特性、DH 内机械感受器亚型收敛的性质和程度，以及 DH 机械感觉编码在较高体感层次的触觉表征中的贡献。
DH中机械感觉反应的功能多样性
作者开发了一种用于体内脊髓多电极阵列 (MEA) 电生理学的制剂，并同时记录了数十个腰椎 DH 神经元，同时向聚氨酯麻醉小鼠的足底后爪表面提供了控制良好的机械刺激（图1A）。此外，不同力振幅和频率的振动刺激被传送到射频中心。在分析的初始阶段包括142 只小鼠的总共 5,060 个单元记录（图1C）。
值得注意的是，记录的绝大多数腰椎 DH 神经元(92%)做出广泛响应（图1B）。使用无监督聚类来评估这种功能多样性的程度（图1C）。该分析将 DH 单元分为六个主要功能组，这些功能组根据它们在整个压痕强度范围内的响应（图1D-1I）和丰度（图1J）进行区分。
六个功能簇中的 DH 神经元对压痕的敏感性不同，敏感性和持续反应分布在机械力空间中（图1E和1H）。不同功能组内的神经元在层流深度上广泛分布，不敏感单元驻留在表层，而敏感单元驻留在更深的DH中(图1K)。
图1. DH神经元机械感觉反应的功能多样性
分析显示，RF 区域因 DH 功能簇类型而异，并且完全是兴奋性的，没有抑制性环绕（图2A–2C）。此外，最敏感的 DH 神经元往往具有最大的 RF。数据表明初级的高度收敛机械感觉神经元向单个 DH 神经元发出信号。
作者还研究了 DH 神经元如何编码机械振动（图2D-2F）。只有一小部分机械敏感的 DH 神经元 (~15%) 将其发射到高达 120 Hz 的振动 (图2D、2E)。相比之下，随着振动频率增加到 120 Hz，所有簇中大多数 DH 神经元的敏感性增加（图2D-2F）。
这些发现表明，大多数 DH 神经元直接或间接地接收会聚输入，分别对 20-100 Hz 和 100-500 Hz 振动刺激最敏感。
图2. DH神经元功能类型的感受区与振动调谐
基因定义的DH神经元亚型
映射到功能定义的簇上
为了确定已知的DH 中间神经元（基因定义）的特性是否与特定功能簇一致，作者将体内 MEA 记录与基因定义的 DH 中间神经元类型的光学标记相结合（3A-3C），有选择地记录了 (1) 基于神经递质身份细分的广泛 DH 神经元群体和 (2) 先前描述的形态和生理上不同的兴奋性和抑制性 DH 中间神经元类型的样本（图3D-3J）。然后将基因标记的 DH 中间神经元的体内响应特性和 RF 与由无偏聚类定义的 DH 功能类型进行比较。
作者发现 DH 抑制性中间神经元比同时记录的假定兴奋性 DH 单元更敏感，并在更高的压痕力下产生更持久的反应（图3G）。抑制性中间神经元也表现出比兴奋性中间神经元更大的 RFs（图3H）。
总之，这些发现表明机械敏感的 DH 神经元分布广泛，分为六个主要功能簇，可能对应于一种或多种具有独特内在生理、形态和突触特性的中间神经元类型。
图3.遗传定义的中间神经元映射到 DH 神经元功能类型
感觉诱发的前馈和反馈抑制回路
对DH神经元反应
具有广泛的控制作用
为了定义局部 DH 回路在塑造 DH 中间神经元和输出神经元的反应中的作用，作者评估了初级传入神经元和 PSDC 输出神经元之间的突触连接，以及Rorβ 和 PVi 抑制中间神经元对前馈和反馈抑制的贡献（图4A）。
Rorβ 中间神经元的光遗传学刺激诱发了强烈的单突触 IPSC（图4F和4G），且直接抑制了邻近 PSDC 的活动和兴奋性（图4H）。相反，PVi 神经元的光遗传学激活未能在 PSDC 神经元中直接激发单突触 IPSC（图4K）。
图4. 感觉诱发的前馈和反馈抑制回路对 DH 神经元反应具有广泛的控制作用
结 论
作者结合大规模体内电生理学和一系列功能操作来评估脊髓 DH 中间神经元和输出神经元机械反应类型的多样性和功能。观察了六种机械敏感的 DH 神经元功能类型，基于它们的敏感性、强直和机械诱发的放电模式以及 RF 区域和形状。
先前鉴定的基因标记的中间神经元亚型的样本表明它们主要映射到一个或几个功能类别。功能不同的 DH 中间神经元类型接收广泛收敛的 LTMR 和 HTMR 输入，并形成一个高度互连的网络架构，用于灵活地塑造 PSDC 输出的响应特性的多样性。作者还表明，复杂、相互关联的 DH 网络中的机械感觉信号转换决定了作用在皮肤上的机械力如何在大脑中表现出来。
参考文献
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.
编译作者：Ayden（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
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