想象一下你在弹吉他。你坐着，用大腿支撑乐器的重量。一只手扫弦；另一只手将琴弦按在吉他琴颈上演奏和弦。你的视觉跟踪乐谱，你的听觉让你聆听声音。此外，还有另外两种感觉使演奏这种乐器成为可能。其中一种感觉，触觉，告诉你你与吉他的互动。另一种感觉，本体感觉，告诉你你在演奏时手臂和手的位置和运动。这两种能力共同构成科学家所说的躯体感觉，或身体知觉。
我们的皮肤和肌肉有数百万个传感器，它们促成了躯体感觉。然而，我们的大脑并没有被这些输入——或者来自我们其他任何感官的输入——所淹没。当你演奏时，你不会被鞋子的挤压或吉他背带的拉扯所分散注意力；你只专注于重要的感觉输入。大脑巧妙地增强一些信号并过滤掉另一些信号，以便我们可以忽略干扰并专注于最重要的细节。
大脑是如何完成这些专注壮举的？在西北大学、芝加哥大学和加利福尼亚州拉霍亚市索尔克生物研究所的近期研究中，我们阐明了这个问题的一个新答案。通过多项研究，我们发现脑干最底部一个长期被忽视的小结构在大脑选择感觉信号方面起着关键作用。该区域被称为楔束核，或CN。我们对CN的研究不仅改变了对感觉处理的科学理解，而且还可能为医疗干预奠定基础，以恢复受伤或患病患者的感觉。
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要理解什么是新的，我们应该回顾一下躯体感觉工作原理的一些基本知识。每当我们移动或触摸某物时，我们皮肤和肌肉内的特殊细胞就会做出反应。它们的电化学信号沿着神经纤维传播到脊髓和大脑。大脑使用这些信息来跟踪身体姿势和运动，以及我们与物体互动的位置、时间和力量。实验已经清楚地表明，我们身体及其与物体的互动的有意识体验依赖于这些信号到达大脑皮层，即大脑的最外层。长期以来，科学家们一直认为这个大脑区域是选择性地增强或过滤感觉信号的主要参与者之一。他们认为，另一方面，CN 只是一个被动的转接站，将信号从身体向上移动到皮层。
但我们对此持怀疑态度。如果 CN 不以某种方式改变信号，那么它存在的意义是什么？我们决定观察楔束核神经元的活动以找出答案。历史上，挑战在于 CN 很小且难以接近。它位于头部和颈部的高度灵活的交界处，这意味着动物的运动会使其难以触及。更糟糕的是，楔束核位于脑干中，周围环绕着重要的脑区，如果损坏，可能会导致死亡。
幸运的是，现代神经科学工具使我们能够在清醒的动物中稳定地观察 CN，而不会损害附近的区域。在猴子身上，我们植入了微小的电极阵列，我们用它来监测单个楔束核神经元。我们第一次可以研究当猴子移动和触摸物体时，该区域的单个脑细胞如何反应。这种方法使我们能够回答关于 CN 功能的几个问题。例如，我们研究了这些神经元如何响应触摸信号，方法是将猴子的皮肤暴露于多种刺激，包括振动和类似盲文的浮雕点图案。然后，我们将 CN 中的反应与流入该大脑结构的神经纤维中的活动进行了比较。如果该区域只是传递皮肤感觉细胞收集的信息，那么 CN 中的神经活动本质上会回应神经纤维中的活动。相反，我们发现 CN 神经元不仅仅是传递它们的输入 而是转换它们。事实上，楔束核神经元显示的活动模式更类似于大脑皮层神经元中的活动模式，而不是神经纤维中的模式。
但 CN 和皮层之间的连接不是单向的。除了向上走的感觉神经之外，还有从大脑皮层的感觉和运动区域向下走到楔束核的通路。我们想知道 CN 是否有助于基于动物计划的自主运动进行某种形式的感觉过滤。为此，我们观察了当猴子伸手去够目标时 CN 的活动，并将这些信号与机器人以类似方式移动猴子手臂时产生的 CN 信号进行了比较。我们发现楔束核神经元中的活动确实发生了变化，具体取决于动物在做什么以及运动是自愿的还是非自愿的。仅举一个例子，我们知道来自手臂肌肉的信号可以帮助动物确定运动是否按计划进行。与这个想法一致，我们发现当猴子自愿移动手臂时，与机器人移动手臂相比，来自手臂肌肉的许多信号在 CN 中得到了增强。
这些研究证实，当我们身体发出的信号到达楔束核时，对这些信号的处理已经开始。但是，哪些脑细胞和通路能够实现 CN 对重要信号的选择性增强和对不重要信号的抑制呢？在第三项研究中，我们利用基因和病毒技术来探测小鼠的神经系统。借助这些工具，我们可以操纵特定类型的细胞，通过用激光照射它们来打开或关闭它们。我们将这些技术与行为任务相结合：通过训练小鼠拉绳子或对各种纹理做出反应以获得奖励，我们测试了特定神经元的激活或失活可能如何影响小鼠执行灵巧任务的能力。这种方法使我们能够首先探索 CN 内细胞的功能，揭示围绕它的特定神经元集合，这些神经元可以在触摸信号进入大脑时抑制或增强它们的传递。然后，我们应用类似的技术来检查其他更高的大脑区域可能如何影响 CN 的活动。我们发现了两条不同的通路，从皮层一直向下延伸到 CN，控制着楔束核允许多少信息通过。换句话说，CN 不仅接收来自身体的信息，还接收来自皮层的指导，以帮助确定哪些信号对于特定时刻的个体最相关或最重要。
显然，楔束核是一个比人们认为的更有趣的大脑区域。我们的工作有助于阐明其功能：在将某些信号传递给负责知觉、运动控制和更高认知功能的大脑区域之前，突出显示某些信号并抑制其他信号。这种重要的作用可能有助于解释为什么 CN 会出现在包括小鼠和灵长类动物在内的多种哺乳动物中。
尽管我们的工作远未完成，但我们的结果已经对康复具有重要的意义。除了我们能够研究的主动触觉和肌肉信号之外，证据表明 CN 接收到更多“休眠”输入，这些输入可能在神经损伤后的恢复中很重要。全世界有数百万人患有某种形式的肢体功能障碍，例如瘫痪或感觉丧失。通过更好地理解感觉和运动信号如何支持运动，医生最终可以改进这些疾病的诊断和治疗。例如，植入式电极有一天可以电激活肢体失去感觉的人的楔束核，从而有可能恢复感知身体的能力。
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