Nature | 高湧杰等揭示大脑是如何使用触觉控制舌头的

当我们的身体在运动时，我们的大脑也在飞速运转着。在足球比赛中，我们常常会看到中场球员在对方压迫下依然能够准确长传给远处跑位中的队友，又或者是进攻球员在几秒内连过数名防守球员。作为一个球迷和神经科学研究者，我常常会好奇球员们的大脑是如何记录周围的信息，然后迅速向肢体发出指令，从而能够完成改变比赛的动作。而在实验室里，我们又可以怎样用动物模型来研究有关运动控制的问题呢？

虽然不同动物对四肢的使用程度可能非常不同，但对于所有在陆地上生活的动物来说，舌头因其在进食、饮水和呼吸中的作用都对生存至关重要。并且在许多动物的捕食和舐犊等行为中，舌头也作为一个和周围环境交互的工具，或者说效应器 （effector） ，而必不可少。对于我们人类而言，我们的语言依赖着舌头在每时每刻出现在正确的位置，做着正确的动作。大多数的帕金森病人会出现有语言障碍，而舌功能障碍引起的吸入性肺炎是神经系统疾病最主要的致死原因之一【1】。尽管近些年Nuo Li、 Danniel O’Connor、 Karel Svoboda等实验室都在研究舔舐行为中取得成果，我们对这一领域依然知之甚少，几乎所有的神经科学教科书都不会提及舌头。

2025年1月1日，康奈尔大学Jesse H. Goldberg团队 （共同一作为Brendan S. Ito[共同通讯]和高湧杰） 在Nature上发表了文章A collicular map for touch-guided tongue control。

该团队研究小鼠舌头的运动，一是希望发现可能的跨越物种 (例如灵长类和啮齿动物) 和跨效应器 (例如舌头和前肢) 的大脑运动控制普遍原理，二是希望发现潜在的属于舌头的特殊机制。在之前的工作中 （Bollu, Ito et al., Nature, 2021,【2】 ） ，研究人员通过高速摄像机和机器学习第一次记录了小鼠舌头在毫秒级时间刻度上的运动（图1）。由于小鼠每一次舔舐非常快 （~80ms） ，人们一度以为舔舐只是舌头简单的伸出和收回，但是Bollu, Ito et al. （2021） 发现当舌头伸出后未碰到出水管时，会有与灵长类动物前肢相似的搜索行为，揭示了舌头的运动是可以根据实时的感觉反馈 （sensory feedback） 被控制的。

图1.数据获取与分析。用高速摄像机（1000Hz）拍摄头部固定的小鼠舔水的视频。小鼠脸部下方以45度放置的镜子让我们同时获得了脸侧方以及下方的画面。研究人员使用了一个卷积神经网络（U-net）分割出了视频中的舌头（粉红色），然后以两个角度的画面重建出了每一毫秒时舌头的3D模型。同时通过对出水管（紫色）的建模，获得了水管在舌头上准确接触位置的信息。图片来源Ito, Gao et al., 2025。方法的详细描述也可参见Bollu, Ito et al., 2021 【2】。

在这一结论的基础上，研究人员在该Nature文章中进一步探索了大脑是如何使用触觉反馈来控制舌头运动的。因为包括人类在内的许多动物看不见舌头，研究人员觉得触觉很可能是影响舌头控制的重要感觉信息。首先为了印证这一点，在小鼠舔水时研究人员偷偷将出水管从中间移到左侧或者右侧。当不知道水管位置已经移动的小鼠接着向正前方伸出舌头的时候，舌头的一侧会触碰到水管的边缘，而观察到小鼠会根据触碰的位置在下一次舔舐时将舌头向新的水管位置伸出 （视频1） 。因此研究人员认为小鼠可以根据触觉改变舌头运动，而这一切都可以在短短的100毫秒左右中完成。

视频1.行为示例。1/40倍速视频。左，原始画面。中，神经网络分割出的舌头（粉色）以及计算出的舌尖（黄色）与触碰中心点（红色）。右，舌尖运动轨迹。视频来源Ito, Gao et al., 2025。

接下来，研究人员想知道大脑中的什么区域控制着上述行为。研究人员用光遗传 （optogenetics） 和化学方式 （NMDA） 抑制了大脑皮层的多个和舌颚运动或感知相关的区域 （ALM,TJM1,TJS1） ，并发现小鼠依然可以根据触觉信息调整舌头伸出的方向。而当研究人员用光遗传抑制单侧的外侧上丘 （lateral superior colliculus, 之前已知可以控制小鼠舌头【3,4】） 时，小鼠却不会在舌头对侧与水管接触后调整伸出方向（图2）。由此，研究人员认为外侧上丘，而非大脑皮层，在将触觉信息转化为舌头运动方向这一过程中扮演了重要作用。

图2.因果操作（causal manipulation）实验。左，光遗传抑制外侧上丘 (latSC)。中，控制组，橙色、黑色、紫色分别为当舌头与左、中、右的水管接触后，下一次伸出时舌尖运动轨迹的俯视图的示例。右，左侧外侧上丘被抑制后，紫色（右）与黑色（中）的轨迹重叠的示例。

上丘是一个在演化中十分保守的脑区【6,7】。在包括鱼类、鸟类、爬行动物、哺乳动物的很多物种里，上丘都在感知与运动转化 （sensorimotor transformation） 中十分重要。其中最经典的发现来自与视觉研究，上丘将来自视网膜且代表着不同位置的视觉信号排列成一张拓扑图 （topographic map, 在此意为越下方的视觉信号排列得越靠近上丘的外侧部，越接近太阳穴侧的视觉信号排列得越靠近上丘的后部，图3） ，并且按照相同的拓扑图输出控制眼睛和头身运动方向的指令【6,7】。那么，小鼠的上丘脑里是否也有着一张相似的拓扑图，用来将来自舌体不同位置的触觉信息转化为控制舌头运动方向的指令呢？

图3.上丘中视觉拓扑图示意。左侧上丘俯视图，x轴数字从小到大代表由上丘内侧至外侧，y轴数字从小到大代表上丘后部至前部。栅格代表视觉信号在视觉空间中的位置，横轴（-60 ° 到60 °）代表下方至上方，竖轴（2 ° 到50 °）代表鼻侧至太阳穴侧。图中深蓝色圆圈相比浅蓝色圆圈代表着更靠近太阳穴侧的视觉刺激，接受深蓝色圆圈代表的信号的神经元位于上丘的更后侧。眼球运动也遵循着空间方向相同的拓扑图。图片来源Basso & May (2017)【6】。

为了回答这一问题，研究人员使用硅基电极记录小鼠在行为中外侧上丘的神经信号，发现有约一半的神经元活动受到了触觉事件的调节，其中很多神经元的发放率与舌头上触觉信息的准确位置有着紧密的关联性。并且与视觉中的拓扑图相似，越后部的上丘有更多的神经元偏好外侧方的触觉信息。同时，在触觉信息之外，研究人员还发现很多外侧上丘神经元活动还编译了舌头伸出方向与舌头位置的信息。为了进一步揭示外侧上丘在舌头运动中的功能，研究人员通过小范围光遗传刺激发现在该脑区受刺激后小鼠的舌头会伸出，并且越靠近后部的刺激会使舌头的方向更偏外侧方。结合这些发现，研究人员认为大脑可能使用了与视觉行为相似的机制来根据触觉信息控制舌头运动。那为什么会这么样呢？一种猜测是，由于舌头可能是和陆地生命同时出现的【8】，因此我们祖先的大脑可能“借用”了之前进化中更早出现的视觉运动控制机制，套用在了舌头上。

综上，该研究第一次探索了触觉信息如何改变舌头运动，发现了上丘在其中重要的感知与运动转化作用。这一结论填补了关于舌头的神经控制的一部分空白，为研究神经系统疾病中的舌功能障碍奠定了基础。此外，研究人员发现了上丘在控制舌头与视觉行为中存在着共享机制，结合之前Bollu, Ito. et al. (2021) 中发现的小鼠舌运动与灵长类前肢运动的相似性，认为舌研究对于跨物种、跨效应器地探索运动控制中的普遍原理与特殊机制具有重要价值。

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08339-3

制版人：十一

参考文献

1. Donohue, C. et al. Profiles of dysarthria and dysphagia in individuals with amyotrophic lateral sclerosis.J. Speech Lang. Hear. Res.66, 154–162 (2023).

2. Bollu, T. et al. Cortex-dependent corrections as the tongue reaches for and misses targets.Nature594, 82–87 (2021).

3. Rossi, M. A. et al. A GABAergic nigrotectal pathway for coordination of drinking behavior.Nat. Neurosci.19, 742–748 (2016).

4. Lee, J. & Sabatini, B. L. Striatal indirect pathway mediates exploration via collicular competition.Nature599, 645–649 (2021).

4. Gandhi, N. J. & Katnani, H. A. Motor functions of the superior colliculus.Annu. Rev. Neurosci.34, 205–231 (2011).

5. Basso, M. A. & May, P. J. Circuits for action and cognition: a view from the superior colliculus.Annu. Rev. Vis. Sci.3, 197–226 (2017).

6. Gandhi, N. J. & Katnani, H. A. Motor functions of the superior colliculus.Annu. Rev. Neurosci.34, 205–231 (2011).

7. IwasakI, S. Evolution of the structure and function of the vertebrate tongue.J. Anat.201, 1-13 (2002)

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