近期，The Journal of Neuroscience和National Science Review上分別在線發(fā)表了題為《癢覺、機(jī)械覺和溫度覺在初級軀體感覺皮層的復(fù)合化表征》和《初級軀體感覺皮層神經(jīng)元的點(diǎn)燃式發(fā)放編碼癢覺感知》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心研究員孫衍剛研究組與研究員徐寧龍研究組合作完成，研究通過在體雙光子鈣成像技術(shù)，解析了癢覺等軀體感覺在初級軀體感覺皮層的表征機(jī)制，揭示了癢覺感知的神經(jīng)機(jī)制。研究在自由活動的動物中探究了皮層對癢覺感知的編碼機(jī)制，為深入理解大腦皮層對軀體感覺信息的處理和整合機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)。

　　軀體感覺對生理功能的正常執(zhí)行十分重要，包括不同的感覺模態(tài)，如痛覺、溫度覺、觸覺等。對上述軀體感覺神經(jīng)機(jī)制的研究是醫(yī)學(xué)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但多模態(tài)軀體感覺的編碼機(jī)制尚不清楚。此外，作為軀體感覺一種模態(tài)的癢覺，是機(jī)體一種重要的保護(hù)機(jī)制，然而癢覺感知在大腦的表征機(jī)制也不明確。

　　在軀體感覺研究領(lǐng)域，前人研究發(fā)現(xiàn)，外周傳入神經(jīng)元對不同軀體感覺刺激表現(xiàn)出復(fù)雜的反應(yīng)特性，而大多脊髓神經(jīng)元能夠同時被溫度覺、觸覺、癢覺和痛覺等軀體感覺刺激激活，神經(jīng)系統(tǒng)如何區(qū)分不同模態(tài)的軀體感覺？多數(shù)研究者認(rèn)為，大腦皮層是實(shí)現(xiàn)不同軀體感覺之間區(qū)分的重要結(jié)構(gòu)，其中初級軀體感覺皮層是最可能的位點(diǎn)之一。然而，由于前人研究受限于缺乏單細(xì)胞分辨率或者記錄神經(jīng)元的樣本量偏小等因素，不同軀體感覺模態(tài)如何在初級軀體感覺皮層的神經(jīng)元群體水平被解碼尚不清楚。此外，癢覺在大腦中編碼機(jī)制的研究大多在麻醉的動物中進(jìn)行，這種情況下動物無法通過抓撓行為報告對癢覺的感知，因此初級軀體感覺皮層能否編碼以及如何編碼癢覺感知有待進(jìn)一步探究。

　　為了回答初級軀體感覺皮層如何編碼不同模態(tài)軀體感覺信息的問題，腦智卓越中心研究人員在給予實(shí)驗(yàn)小鼠癢覺、觸覺或溫度覺刺激的同時，利用在體雙光子鈣成像技術(shù)記錄了初級軀體感覺皮層神經(jīng)元的活動。研究發(fā)現(xiàn)，部分初級軀體感覺皮層神經(jīng)元能夠穩(wěn)定響應(yīng)觸覺刺激或熱刺激。通過建立一種光遺傳誘導(dǎo)的精確控制感覺輸入的癢覺模型，研究人員發(fā)現(xiàn)初級軀體感覺皮層神經(jīng)元編碼癢覺的時空特性和強(qiáng)度信息。進(jìn)一步地，研究人員在記錄同一群初級軀體感覺皮層神經(jīng)元的同時隨機(jī)給予小鼠癢覺、觸覺和熱刺激，發(fā)現(xiàn)不同模態(tài)的軀體感覺刺激激活了很大比例上重合的初級軀體感覺皮層神經(jīng)元。研究人員對初級軀體感覺皮層神經(jīng)元的群體活動進(jìn)行了解碼分析，發(fā)現(xiàn)初級軀體感覺皮層的神經(jīng)元群體編碼足夠多的信息可以區(qū)分不同模態(tài)的軀體感覺。

　　為了解析自然狀態(tài)下癢覺感知在初級軀體感覺皮層的表征機(jī)制，研究人員利用新型的微型雙光子顯微鏡在自由活動的小鼠中進(jìn)行單細(xì)胞分辨率的鈣成像。研究發(fā)現(xiàn)，部分初級軀體感覺皮層神經(jīng)元在癢覺誘發(fā)的抓撓行為起始前活性上升，并且一定比例的神經(jīng)元在抓撓起始前的鈣活動可以預(yù)測后續(xù)行為的發(fā)生，提示這群初級軀體感覺皮層神經(jīng)元編碼癢覺感知。利用光遺傳誘導(dǎo)的癢覺輸入精確操控方式，研究人員探究了初級軀體感覺皮層神經(jīng)元在癢覺感知閾值附近的活動模式，發(fā)現(xiàn)一小群記錄到的神經(jīng)元在癢覺閾值上表現(xiàn)出“點(diǎn)燃”式的發(fā)放模式。

　　兩項(xiàng)研究闡述了不同模態(tài)的軀體感覺在初級軀體感覺皮層的表征模式，為進(jìn)一步理解多模態(tài)感覺信息在皮層的處理和整合機(jī)制提供了思路；揭示了初級軀體感覺皮層對癢覺感知的編碼機(jī)制，為在自由活動的動物中研究癢覺感知的單細(xì)胞層面的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制開辟了道路。此外，工作建立的光遺傳誘導(dǎo)的新型癢覺模型為癢覺研究提供了重要的方法學(xué)基礎(chǔ)。

　　研究工作得到中科院、國家自然科學(xué)基金委員會以及上海市的資助。

　　（A）自由活動的小鼠中同時進(jìn)行鈣成像和抓撓行為記錄的示意圖。（B）微型雙光子顯微鏡示意圖。（C）雙光子采集的初級軀體感覺皮層神經(jīng)元圖像。（D）對閾值癢覺刺激的兩類初級軀體感覺皮層神經(jīng)元的反應(yīng)模式。（E）“點(diǎn)燃”式發(fā)放模式的初級軀體感覺皮層神經(jīng)元。