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小鼠和猴:两种动物模型的体感处理

2021年03月06日 浏览量: 评论(0) 来源:Progress in Neurobiology Available online 12 February 2021, 102008 作者:李晓菲译 责任编辑:yjcadmin
摘要:我们对躯体感觉的神经基础的理解主要基于对小鼠和大鼠的触须系统以及猕猴的手研究。这些动物模型的结果通常被解释为提供了对人类躯体化的直接洞察。这些系统的工作并行进行,充分利用了每种模型的优势,但很少作为一个整体来考虑。我们研究了小鼠和大鼠的触须、猕猴的手以及这三种动物的体感神经轴的功能和形态。然后,我们讨论如何在各自的神经系统中编码体感信息,强调相似点和不同点。我们反思了这些人体躯体感觉模型的局限性,并在理解躯体感觉的神经基础时考虑了关键的差距。

小鼠和猴:两种动物模型的体感处理

摘要:我们对躯体感觉的神经基础的理解主要基于对小鼠和大鼠的触须系统以及猕猴的手研究。这些动物模型的结果通常被解释为提供了对人类躯体化的直接洞察。这些系统的工作并行进行,充分利用了每种模型的优势,但很少作为一个整体来考虑。我们研究了小鼠和大鼠的触须、猕猴的手以及这三种动物的体感神经轴的功能和形态。然后,我们讨论如何在各自的神经系统中编码体感信息,强调相似点和不同点。我们反思了这些人体躯体感觉模型的局限性,并在理解躯体感觉的神经基础时考虑了关键的差距。

关键词:大鼠  灵长类  神经编码  触觉  本体感觉  比较神经科学

简介:人类如何处理有限的感官输入,以产生异常复杂和多样的行为?尽管我们渴望了解自己,但我们对人脑的了解大部分来自对其他动物的研究,而我们对哺乳动物的感觉处理的大部分了解则来自于对几种动物模型的研究,即小鼠,大鼠 和猕猴。由于跨物种推断对于理解人脑和更广泛的神经系统功能至关重要,因此应以充分了解情况的方式进行跨物种比较。鉴于在小鼠,大鼠和猕猴中对该感觉系统的组织和功能进行了广泛的研究,躯体感觉为这一比较过程提供了有用的案例研究。

图1.  分支图,显示了五种不同哺乳动物的系统发育关系,每个分支点表示最后一个共同祖先的时间。

考虑到这一点,我们探索了这三个物种的触觉和本体感觉的神经基础,重点是猕猴的手和小鼠和大鼠的触须系统,因为大部分的实验关注这些感觉系统。考虑到触须和手之间的巨大差异,采用小鼠和大鼠的触须系统作为理解人类体感系统的模型似乎有悖常理。虽然大鼠在实验研究中的应用已有150多年的历史,而且从上世纪初开始对小鼠进行基因研究,但将这些老鼠用作体感加工的模型很可能是由于历史上的偶然事件。传统上,屏障系统对于理解感觉输入对大脑皮层发育和皮层组织的各个方面的贡献是至关重要的。事实上,屏障和单个触须之间的一对一对应关系允许对触须进行各种直接的实验操作(例如,在不同发育时间点修剪单个触须或一排触须),并直接检查这些操作后的皮层表现。随着对屏障系统研究的激增,基因工具和其他复杂技术的发展,这些技术被用来检测老鼠大脑中的细胞和回路。小鼠和大鼠因此成为神经科学,包括体感神经科学的主要动物模型。我们的目标是评估小鼠,大鼠和猕猴模型的协同作用程度,以了解体感,并在系统发育和生态环境中研究异同。为此,我们研究了手和触须的生物力学,它们的感觉神经支配以及相关神经炎的神经解剖学。 然后,我们讨论在处理的不同阶段如何在神经元群体中编码信息,以评估这三种动物模型是否传达了一致的躯体感觉图像。这篇综述是从三个截然不同的角度撰写的,一个是老鼠神经生理学专家,一个是猴子神经生理学专家,一个是进化神经生物学家,试图综合三个广泛使用的动物模型的发现,并产生一个共同的框架,从中我们可以了解哺乳动物的体感系统。事实上,关于体感系统的大部分信息都来自教科书和较老的评论,这些评论侧重于建立良好的解剖路径或少数动物的特定加工特征。这种有限的关注阻碍了对哺乳动物体感系统的基本组织原理的广泛理解。

触须和手的功能:效应器的神经支配取决于该效应器的功能。 因此,要了解和比较小鼠和猕猴的体感处理,我们需要首先将各自的感官系统置于其功能范围内。虽然经常在老鼠和老鼠身上研究,但触须在哺乳动物中几乎无处不在。触须的主要功能是探索周围空间,以便导航、定位和识别附近的物体和表面。一些证据表明,老鼠也使用触须来感知气流。当没有视力时,可以将手用于导航和对象识别(立体诊断),但其主要功能是抓握和操纵对象。

图2、手和触须的功能。触须和手都能感知物体的属性,如纹理和形状,但只有手能抓住和操纵物体。

为了支持触须和手的各种功能,需要不同但重叠的感官信息。导航需要有关地标的空间位置和范围的信息。跟踪需要有关物体运动的信息来引导姿态的快速补偿变化。立体感知是一种通过触须和手来实现的能力,需要有关物体三维结构的信息。操纵需要关于接触事件的位置和动态的信息。当然,这些功能域在一定程度上共享信息需求——例如,操作需要一些有关对象三维结构的信息——但它们的相对重要性各不相同。相比之下,体感特化最明显的例子是星鼻鼹鼠的鼻子,它的探索和抓取功能赋予了它手一样的感觉神经支配。这些功能需求塑造了哺乳动物的体感系统,并强调了大脑、身体和行为之间相互作用对于理解感觉系统如何进化的重要性。

触须和手的生物力学:与物体的相互作用导致触须或皮肤变形,然后将应力传递给机械感受器,机械感受器又将这些应力转化为电信号。因此,触须和皮肤的机械特性在形成传递到中枢神经系统的感觉信号方面起着作用。触须是一种锥形束,它将触须与物体相互作用时产生的应力传递给触须毛囊。触须毛囊中有多种不同类型的受体,每一种都对偏转的不同方面敏感,将局部应力转化为动作电位。沿触须施加到不同位置的应力的传递,以及该过程对触须几何形状的依赖性(触须在整个表面上都发生了变化)已成功地使用定量方法进行了建模。与触须相比,手的光滑皮肤在外界与机械感受器之间提供了明显不同的耦合。 基于连续体力学的简单的皮肤生物力学模型捕获了压痕时皮肤变形的一些基本特征。有限元模型包含对皮肤的更详细描述,与连续体机械模型不同,有限元模型考虑了骨骼对皮肤反应的影响,特别是在关节附近。无论如何,机械感受器的响应特性严重依赖于皮肤力学。例如,支配位于皮肤深处的受体的神经纤维往往具有更大的感受野,这一现象可归因于皮肤力学,以及对边缘和角落的增强的传入反应。晶须和皮肤的各自形态和机械性能存在很大差异,这些差异可能导致所产生的神经元表示形式发生重大差异。相比之下,双手在每个接触点都提供时空信号-反映了皮肤变形的时空模式-这种信号是由皮肤生物力学在施加到皮肤表面的力通过组织传播时形成。 如下所述,不同的形态和机械性能会导致最终的感官表现形式出现差异。

周围神经支配:触须毛囊和指尖的周围神经分布是不同的,尽管两者都有默克尔型传入。在小鼠中,每个毛囊由100-300个感觉纤维支配,每个感觉纤维的末端是大约8种不同类型的机械感受器中的一种。这些机械感受器的细胞体位于三叉神经节内,每个感受器的感受野都有一个触须。神经纤维在电生理学上可分为缓慢适应和快速适应两类,这取决于它们是否对持续的胡须偏转产生持续的反应。到目前为止,仅在行为期间研究了毛囊的默克尔传入,但基因标记的进展可能会导致表征其他传入类型的快速进展。猕猴的无毛皮肤受三种类型的触觉神经纤维的支配,每一种均支配不同类型的机械感受器,并且对皮肤变形的不同方面做出最佳响应。猕猴和人类手掌的皮肤神经分布相似,只是猕猴缺乏Ruffini型神经纤维,这种神经纤维稀疏地支配人类无毛的皮肤。类似于触须毛囊传入,可以根据它们的适应性对皮肤神经纤维进行分类:快速适应的纤维仅对压痕的开始和偏移有反应,而缓慢适应的纤维在整个刺激过程中均响应。根据其感受野(RF)的大小对神经纤维进行分类:1型纤维有小的RF,2型纤维有大的RF。在大多数人工与物体的交互过程中,这三种类型的神经纤维都被激活,并传递有关物体特征的不同但重叠的信息。

图3、触须毛囊和指尖的神经支配。

体感神经轴组织:

皮质组织:也许在大鼠、小鼠和猕猴的体感系统中最深刻的差异是在新皮质的水平上。虽然这三个物种都有一个初级体感区(S1或3b区)、一个次级体感区(S2)和一个处理皮肤输入的顶叶腹侧区(PV),但相似之处到此为止。在大鼠,小鼠和猕猴中,处理体细胞输入的皮层范围,此网络中涉及的皮质区域的数量以及该网络的互连性根本不同。除上述区域外,猕猴还拥有另外三个前顶叶区域,包括处理皮肤输入的区域1,处理本体感觉输入的区域3a和整合皮肤和本体感觉输入的区域2。虽然许多人使用术语“初级体感皮层”(“S1”)来统称猕猴的3a、3b、1和2区,但这是一个过时的概念,因为几十年来人们已经很好地确定,在一系列其他哺乳动物中,只有3b区与S1区同源。除了处理触觉和本体感受输入的皮层区域的数量不同之外,这些动物模型中的体感组织也不同,甚至在同源的皮层区域中也是如此。在猕猴中,初级体感皮层(3b区)主要由无毛手所支配,并由单个手指和手掌表面的详细表现所组成。在猕猴中,响应无毛手刺激的S1神经元具有很小的感受野,尤其是在指尖。

图4、小鼠、大鼠和猕猴体感皮层的组织结构

神经编码:现代感觉神经科学的主要见解之一是感觉信息可以由神经元以不同方式编码。振动敏感性为了解体感神经和神经系统解决触须或皮肤变形的时间结构提供了一个窗口。在小鼠,大鼠和猕猴中,神经纤维表现出不同的频率偏好,其中一些神经纤维在低频时更敏感,而其他神经纤维在高频时更敏感。传入振动的一个显着特征是它们的锁相:神经纤维将在每个刺激周期的受限相位内产生一个尖峰或一连串的尖峰,这样振动的频率组成会在诱发的尖峰的时间序列中反映出来。甚至复杂的多谐波皮肤振动也会在神经中产生非常可重复的时间尖峰模式。振动响应的时间精度是这样的,它们可以以毫秒或什至微秒为单位测量精度来编码某些类型的刺激。类似地,体感皮层中的神经元对传递到触须或皮肤的振动产生锁相响应,尽管精度有所降低。

图5.时间精度和重复性是触须和指尖机械感受器的标志。

在猕猴中对振动响应的不同特征的特定行为相关性进行了广泛研究,而在大鼠和小鼠中则进行了较小程度的研究。在猕猴中,振动幅度已显示为在神经和体感皮层中引起的反应强度中编码。在发射速率没有变化的情况下,可以从神经纤维或皮层神经元的锁相尖峰中提取感知的频率。

主动触摸:触摸有时是强加的,例如当我们被人触摸或微风吹拂我们的脸时,大多数的触觉输入都是由于自我产生的动作而产生的。这种“主动触摸”是胡须和手的主要感知方式。尽管如此,绝大多数研究猕猴触觉的神经生理学研究都集中在被动感知上,即对固定的指尖施加刺激。事实上,教科书中关于触觉神经编码的几乎所有知识都来自这样的研究。挑战在于触觉是非常敏感的——灵长类动物手上可察觉的触觉是以微米甚至十分之一微米为单位测量的。

比较神经生理学的挑战与机遇:我们目前对感觉加工的理解仅基于少数哺乳动物,并且由于几个原因受到限制。灵长目和啮齿动物目是高度多样的。在2500种左右的啮齿类动物中,有些用触须进行感官探索,而另一些没有,有些有体觉皮层,而另一些没有。尽管在这个领域,我们经常提到“啮齿动物”和“灵长类”的组织和功能特征,但我们必须记住,这种速记术语掩盖了每个目的主要差异。因此,仅研究小鼠,大鼠和猕猴,无法完全了解啮齿动物和灵长类动物的躯体感觉。在小鼠和大鼠身上研究主动感觉比在猕猴身上更容易,而在小鼠和大鼠身上发现体感回路内基本细胞相互作用的工具也使它们成为非常好的模型。由于猕猴在自然界中不会自然地参与工具的使用,因此即使是猕猴模型也受到了限制。只有采取广泛的比较方法,使用多种物种,我们才能对自己的物种有一个全面的了解。


原文出自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301008221000228

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