路德维希·范·贝多芬（Ludwig van Beethoven）在 28 岁时开始失去听力，到 44 岁时完全失聪。尽管他听力损失的原因仍然是科学争论和不断修正的话题，但有一点是清楚的：尽管听力丧失，贝多芬从未停止创作音乐。研究人员认为，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。
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新的研究表明，大脑中一个被称为下丘的区域在以机械振动的形式处理声音和触觉以创造增强感官体验方面起着关键作用。图片来源：Ginty Lab/哈佛医学院
哈佛医学院研究人员开展的一项研究可能有助于解释为何贝多芬和其他音乐家在失去听力后仍然能够发展出极其灵敏的触觉。这项基于小鼠实验的研究结果于2024年12月18日发表在《细胞》杂志上，为解释一种感觉的减弱如何以及为何会增强另一种感觉提供了新线索。它们还为我们理解大脑和身体如何同步工作以同时处理多种感觉提供了令人惊奇的新线索。该研究指出，大脑中一个叫做下丘的区域（迄今为止主要研究其在声音处理中的作用）也参与处理触觉信号，包括皮肤神经末梢检测到的机械振动。研究小组的实验表明，皮肤中超灵敏的机械感受器帕西尼氏小体接收到的高频机械振动并非完全被传送到躯体感觉皮层（大脑中处理身体感觉的区域）。相反，研究发现，这些信号主要从身体传送到中脑的下丘。“这是一个非常令人惊讶的发现，它推翻了关于触觉在大脑中的位置和处理方式的经典观点，”该研究的资深作者、哈佛大学医学院神经生物学系主任兼爱德华 R. 和安妮 G. 莱弗勒神经生物学教授戴维·金蒂 (David Ginty) 说。“我们发现，中脑下丘的一个区域负责处理振动，无论是作用于内耳的声波振动，还是作用于皮肤的机械振动。当听觉和机械振动信号汇聚在这个大脑区域时，它们会放大感官体验，使其更加突出。”感知振动的能力使整个动物界的生物能够感知和应对环境中的细微变化，例如感知和避免威胁，这对于生存至关重要。例如，蛇通过将下颚压在地面上来接收细微的振动，从而探测猎物和捕食者的动向。感知振动的能力对于发展和完善更复杂的适应性能力也至关重要，例如在一种感觉丧失后，大脑的神经重新布线会增强另一种感觉——例如，在视力丧失后，听觉会变得越来越敏锐。研究人员表示，新发现与后一种情况特别相关——失去一种感觉后发生的神经重新布线。这些见解可能有助于开发假肢，增强听力丧失者的触觉灵敏度。金蒂同时也是霍华德休斯医学研究所的研究员，他说：“将声音转换成帕西尼频率范围内的触觉振动的设备可以让人们更有能力感知和体验声音。”“这种装置可以放置在身体周围，并靠近帕西尼神经元，以便在手、臂、脚、腿和身体上产生不同频率的声音诱发机械振动。”研究结果强调了帕西尼神经元作为躯体感觉系统重要组成部分的作用。它们独特而复杂的结构是其非凡灵敏度的关键。这使它们能够检测到哪怕是最轻微的机械振动。每个帕西尼小体由一个位于其中心的神经末梢组成，周围环绕着多层支持细胞，称为层状细胞。层状细胞膜的洋葱状层起着减振器的作用，使帕西尼氏小体能够精确、快速地对高频振动做出反应，同时抑制低频干扰。“进化将这些受体放置在动物界的不同位置，以适应不同的环境，”该研究的主要作者、金蒂实验室研究员埃里卡·休伊 (Erica Huey) 说。“对于人类来说，这些受体位于指尖和脚的皮肤深处，而对于大象来说，这些受体在脚和鼻子中的浓度较高。”事实上，研究表明，大象能够通过脚垫和鼻子皮肤感知微小的地震。然而，直到最近，科学家才能够记录清醒、自由活动的动物体内帕西尼神经元的活动，因此很难全面了解这些神经元的敏感度以及触发其激活的刺激因素。由 Ginty 实验室的博士后研究员约瑟夫·图雷切克（Josef Turecek）先前领导的研究表明，帕西尼神经元非常敏感，它们可以检测到像手指在表面移动产生的一样细微的机械振动，即使是在几米之外。这项新研究以之前的研究为基础，探索了帕西尼氏小体的信号如何在大脑中传输和处理。研究人员使用机械刺激器向小鼠的四肢或它们所站立的平台施加不同频率的机械振动，同时记录大脑中参与感觉处理的区域的神经元活动。当研究人员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（VPL）中的神经元（感觉信息在到达躯体感觉皮层之前的中转站）对低频振动更敏感。相比之下，下丘外侧皮层中的神经元则优先对高频振动做出反应。为了探索皮肤中的两种机械感受器——帕西尼氏小体和迈斯纳氏小体——对大脑两个区域对高频和低频振动的不同反应的作用，研究小组研究了缺乏帕西尼氏小体或迈斯纳氏小体的转基因小鼠。在缺乏帕西尼氏体的小鼠中，下丘神经元对高频振动的反应明显降低，这表明帕西尼氏体在向该区域传递高频振动方面发挥着关键作用。当研究人员让小鼠接触白噪声而不是机械振动时，他们发现下丘的神经元也会做出反应，这表明该区域同时处理听觉和体感刺激。“事实上，我们观察到下丘的神经元对触觉和听觉联合刺激的反应比单独的刺激更强烈，”金蒂说。金蒂表示，中脑下丘的这种声音和触觉的整合有助于解释我们如何能在音乐会上听到音乐并亲身感受到音乐，从而使综合的感官体验更加深刻。从进化的角度来看，这种现象可能对于生存至关重要，更多地了解这种现象可以为自闭症和慢性神经病等疾病的治疗提供参考，这些疾病的功能障碍会导致对触觉的过度敏感。在未来的研究中，研究人员还将探索这些发现是否为大脑的适应能力提供线索，特别是研究生物体是否会在听力损失的情况下增强对振动感知的敏感性作为补偿机制。更多信息：The auditory midbrain mediates tactile vibration sensing, Cell (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.11.014. www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01331-X
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