想象一下你在彈吉他。你坐著，用大腿支撐樂器的重量。一隻手掃弦；另一隻手將琴絃按在吉他琴頸上演奏和絃。你的視覺跟蹤樂譜，你的聽覺讓你聆聽聲音。此外，還有另外兩種感覺使演奏這種樂器成為可能。其中一種感覺，觸覺，告訴你你與吉他的互動。另一種感覺，本體感覺，告訴你你在演奏時手臂和手的位置和運動。這兩種能力共同構成科學家所說的軀體感覺，或身體知覺。
我們的皮膚和肌肉有數百萬個感測器，它們促成了軀體感覺。然而，我們的大腦並沒有被這些輸入——或者來自我們其他任何感官的輸入——所淹沒。當你演奏時，你不會被鞋子的擠壓或吉他揹帶的拉扯所分散注意力；你只專注於重要的感覺輸入。大腦巧妙地增強一些訊號並過濾掉另一些訊號，以便我們可以忽略干擾並專注於最重要的細節。
大腦是如何完成這些專注壯舉的？在西北大學、芝加哥大學和加利福尼亞州拉霍亞市索爾克生物研究所的近期研究中，我們闡明瞭這個問題的一個新答案。透過多項研究，我們發現腦幹最底部一個長期被忽視的小結構在大腦選擇感覺訊號方面起著關鍵作用。該區域被稱為楔束核，或CN。我們對CN的研究不僅改變了對感覺處理的科學理解，而且還可能為醫療干預奠定基礎，以恢復受傷或患病患者的感覺。
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要理解什麼是新的，我們應該回顧一下軀體感覺工作原理的一些基本知識。每當我們移動或觸控某物時，我們皮膚和肌肉內的特殊細胞就會做出反應。它們的電化學訊號沿著神經纖維傳播到脊髓和大腦。大腦使用這些資訊來跟蹤身體姿勢和運動，以及我們與物體互動的位置、時間和力量。實驗已經清楚地表明，我們身體及其與物體的互動的有意識體驗依賴於這些訊號到達大腦皮層，即大腦的最外層。長期以來，科學家們一直認為這個大腦區域是選擇性地增強或過濾感覺訊號的主要參與者之一。他們認為，另一方面，CN 只是一個被動的轉接站，將訊號從身體向上移動到皮層。
但我們對此持懷疑態度。如果 CN 不以某種方式改變訊號，那麼它存在的意義是什麼？我們決定觀察楔束核神經元的活動以找出答案。歷史上，挑戰在於 CN 很小且難以接近。它位於頭部和頸部的高度靈活的交界處，這意味著動物的運動會使其難以觸及。更糟糕的是，楔束核位於腦幹中，周圍環繞著重要的腦區，如果損壞，可能會導致死亡。
幸運的是，現代神經科學工具使我們能夠在清醒的動物中穩定地觀察 CN，而不會損害附近的區域。在猴子身上，我們植入了微小的電極陣列，我們用它來監測單個楔束核神經元。我們第一次可以研究當猴子移動和觸控物體時，該區域的單個腦細胞如何反應。這種方法使我們能夠回答關於 CN 功能的幾個問題。例如，我們研究了這些神經元如何響應觸控訊號，方法是將猴子的皮膚暴露於多種刺激，包括振動和類似盲文的浮雕點圖案。然後，我們將 CN 中的反應與流入該大腦結構的神經纖維中的活動進行了比較。如果該區域只是傳遞皮膚感覺細胞收集的資訊，那麼 CN 中的神經活動本質上會回應神經纖維中的活動。相反，我們發現 CN 神經元不僅僅是傳遞它們的輸入 而是轉換它們。事實上，楔束核神經元顯示的活動模式更類似於大腦皮層神經元中的活動模式，而不是神經纖維中的模式。
但 CN 和皮層之間的連線不是單向的。除了向上走的感覺神經之外，還有從大腦皮層的感覺和運動區域向下走到楔束核的通路。我們想知道 CN 是否有助於基於動物計劃的自主運動進行某種形式的感覺過濾。為此，我們觀察了當猴子伸手去夠目標時 CN 的活動，並將這些訊號與機器人以類似方式移動猴子手臂時產生的 CN 訊號進行了比較。我們發現楔束核神經元中的活動確實發生了變化，具體取決於動物在做什麼以及運動是自願的還是非自願的。僅舉一個例子，我們知道來自手臂肌肉的訊號可以幫助動物確定運動是否按計劃進行。與這個想法一致，我們發現當猴子自願移動手臂時，與機器人移動手臂相比，來自手臂肌肉的許多訊號在 CN 中得到了增強。
這些研究證實，當我們身體發出的訊號到達楔束核時，對這些訊號的處理已經開始。但是，哪些腦細胞和通路能夠實現 CN 對重要訊號的選擇性增強和對不重要訊號的抑制呢？在第三項研究中，我們利用基因和病毒技術來探測小鼠的神經系統。藉助這些工具，我們可以操縱特定型別的細胞，透過用雷射照射它們來開啟或關閉它們。我們將這些技術與行為任務相結合：透過訓練小鼠拉繩子或對各種紋理做出反應以獲得獎勵，我們測試了特定神經元的啟用或失活可能如何影響小鼠執行靈巧任務的能力。這種方法使我們能夠首先探索 CN 內細胞的功能，揭示圍繞它的特定神經元集合，這些神經元可以在觸控訊號進入大腦時抑制或增強它們的傳遞。然後，我們應用類似的技術來檢查其他更高的大腦區域可能如何影響 CN 的活動。我們發現了兩條不同的通路，從皮層一直向下延伸到 CN，控制著楔束核允許多少資訊透過。換句話說，CN 不僅接收來自身體的資訊，還接收來自皮層的指導，以幫助確定哪些訊號對於特定時刻的個體最相關或最重要。
顯然，楔束核是一個比人們認為的更有趣的大腦區域。我們的工作有助於闡明其功能：在將某些訊號傳遞給負責知覺、運動控制和更高認知功能的大腦區域之前，突出顯示某些訊號並抑制其他訊號。這種重要的作用可能有助於解釋為什麼 CN 會出現在包括小鼠和靈長類動物在內的多種哺乳動物中。
儘管我們的工作遠未完成，但我們的結果已經對康復具有重要的意義。除了我們能夠研究的主動觸覺和肌肉訊號之外，證據表明 CN 接收到更多“休眠”輸入，這些輸入可能在神經損傷後的恢復中很重要。全世界有數百萬人患有某種形式的肢體功能障礙，例如癱瘓或感覺喪失。透過更好地理解感覺和運動訊號如何支援運動，醫生最終可以改進這些疾病的診斷和治療。例如，植入式電極有一天可以電啟用肢體失去感覺的人的楔束核，從而有可能恢復感知身體的能力。
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