触觉引导舌头控制的丘脑图谱

为了测试小鼠是否利用触觉反馈来控制舌头运动，研究人员设计了一项触觉引导的舔水任务，要求小鼠根据舌头表面的细微接触事件重新调整舔水方向。通过结合双平面高速舌部成像、深度学习图像分割和视觉外壳重建技术，研究人员精确量化了舌头的三维运动学和接触位置，并追踪了每毫秒的舌头尖端轨迹。结果显示，当L2舔水时水嘴的细微移动导致舌头表面不同位置的意外接触后，小鼠会立即调整下一次舔水（L3）的方向，表明小鼠在舔水过程中自然地利用触觉来引导舌头运动。这种触觉引导的重新调整不依赖于接触时的水分配，且舔水节奏不受影响，说明触觉反馈与前运动舌头控制之间的感觉运动过程在单次舔水间隔内迅速完成。实验结果表明，小鼠能够整合触觉信息和舌头位置，快速调整舔水方向，揭示了触觉在动态舌头控制中的关键作用。

触觉引导的抓取和视觉引导的伸手动作依赖于感觉和运动皮层的处理。三个与舌部感觉运动相关的皮层区域—舌-颌感觉皮层（TJS1）、舌-颌运动皮层（TJM1）和前外侧运动皮层（ALM）—被认为与多种舔水瞄准任务有关。为了测试触觉引导的舌头瞄准是否同样需要皮层通路，研究人员使用VGAT-ChR2-eYFP小鼠对TJS1、TJM1或ALM进行双侧光抑制。光抑制在35%的试验中于L2舔水接触时启动，并持续250毫秒，确保从L2接触到L3重新瞄准期间抑制相关区域（图1a）。在TJS1、TJM1和ALM光抑制期间（图1f）以及同时完全双侧损伤这三个区域后，触觉引导的L3重新瞄准完全不受影响，表明舌部皮层区域并非触觉引导舌头瞄准所必需。

在脊椎动物中，上丘（SC）参与刺激引导的定向行为。SC直接接收来自视网膜的视觉输入，并包含一个地形组织的视觉运动图，其中视野的每个区域映射到对侧SC的相应区域。研究人员推测，最近与定向舔水相关的SC外侧区域（latSC）可能在触觉引导的舌头控制中同样重要。 

为了测试latSC在触觉引导舌头瞄准中的作用，研究人员使用Vgat-cre小鼠在黑质网状部（SNr）向latSC的GABA能输入中表达光敏感通道蛋白2（ChR2），并在latSC上方植入光纤。通过光激活SNr终端，在35%的试验中从L2接触开始到L3结束期间双侧抑制latSC活动。与ALM、TJS1或TJM1的抑制不同，latSC的抑制立即中断了舔水行为，表明latSC在舔水控制中的关键作用。 

为了进一步明确latSC在触觉引导重新瞄准中的具体作用，研究人员进行了单侧抑制实验。结果显示，单侧抑制ALM或TJM1会导致舔水偏向抑制侧，但不会消除对触觉事件的重新瞄准反应。然而，单侧抑制latSC会选择性损害对侧触觉事件的重新瞄准，而同侧反应则得以保留。这一结果与视觉引导定向任务中SC单侧抑制的影响相似，表明latSC是将L2触觉信息与L3重新瞄准命令连接起来的神经通路的重要组成部分。 

这些发现表明，latSC在触觉引导舌头控制中扮演关键角色，是触觉信息转化为运动命令的核心神经回路之一。

如果latSC参与处理来自舌头的触觉信号以引导下一次舔水瞄准，那么latSC应接收来自舌头感觉传入的输入。为了验证这一点，研究人员进行了病毒追踪实验。通过在舌头注射表达Cre的腺相关病毒（AAV），荧光标记支配舌头的初级三叉神经节神经元。结果显示，这些神经元的轴突末端位于脊髓三叉神经核口部（SpVO）的背侧分区，该区域已知投射到舌下核和latSC，表明其在触觉引导舌头控制中的作用。 

进一步实验发现，将表达GFP的AAV注射到SpVO的舌部区域后，可观察到其对侧latSC的投射（图2f）。这些结果表明，latSC接收来自SpVO舌部区域的输入，支持其可能处理触觉反馈以引导持续舔水的功能。这一发现揭示了从舌头到latSC的神经通路，为触觉引导舌头控制的神经机制提供了重要线索。

图2. latSC的光失活损害了触摸制导的再瞄准

为了测试latSC在处理触觉反馈中的可能作用，研究人员在触觉引导舔水任务中记录了latSC的神经活动。结果显示，许多latSC神经元在L2接触后的100毫秒内表现出与接触位置（左、中、右）相关的活动变化，其中大多数触觉敏感神经元对侧接触具有选择性。这种选择性在latSC的后部区域更为显著，表明其沿前后轴存在梯度分布。 

进一步分析发现，latSC神经元对舌头表面接触事件的精确位置具有高度敏感性。通过计算接触角（舌头尖端向量与接触点向量之间的角度），研究人员发现42%的神经元显著编码接触角信息，部分神经元表现出高度选择性反应。此外，34%的神经元在L2接触后表现出显著的接触角调谐，表明latSC神经元能够精确响应舌头接触事件。 

主成分分析（PCA）显示，latSC群体活动在左右接触后迅速与中心接触的神经轨迹分离，且单个神经元的接触响应延迟较短（中位数为16毫秒）。这些精细的触觉表征在L2接触期间形成，并在L3启动之前完成，表明latSC在触觉引导舌头控制中具有快速响应的能力。 

行为相关性分析进一步证实，L2接触角的精确位置与L3重新瞄准的幅度之间存在强相关性，表明小鼠利用L2接触点的精确位置调整L3的瞄准方向。这些发现揭示了latSC在触觉引导舌头控制中的关键作用及其对精细触觉信息的编码能力。

图3. latSC神经活动对舌头表面接触事件的位置进行编码

为了将触觉反馈转化为下一次舔水的目标位置估计，小鼠不仅需要知道接触发生在舌头表面的哪个位置，还需要知道接触时舌头的整体位置。例如，舌头在直线舔水时的左侧接触表明水嘴位于头部左侧，而在右向舔水时的同一左侧接触则表明水嘴位于中心。触觉引导的重新瞄准可能需要将坐标系从舌头基准转换为头部基准。 

为了研究舌头接触表征的坐标系，研究人员设计了一项“重新居中”任务，将接触点位置与水嘴位置解耦。在该任务中，小鼠在L2舔水时水嘴向左或右移动，随后在L3和L4之间将水嘴重新居中。结果显示，小鼠能够利用L4接触调整L5的舔水方向，表明侧向舔水时的接触可以触发向中心的重新瞄准。 

通过分析latSC神经元的响应，研究人员发现部分神经元的接触选择性独立于舌头位置（基于舌头基准的参考框架），而另一些神经元的响应则依赖于舌头位置（基于头部基准的参考框架）。还有一些神经元表现出对舌头和头部基准的联合调谐。此外，基于头部基准的神经元接触响应延迟较长，表明其在触觉信号转换过程中需要额外整合舌头位置信息。 

进一步分析发现，latSC神经元在接触前编码了舌头的三维位置信息，尤其是舌头尖端在内外侧平面的位置。这些结果表明，latSC具备在触觉引导舔水中实现舌头到头部坐标系转换的必要信息，这对于利用触觉定位水嘴位置并指导下一次舔水至关重要。

图4. latSC神经元在以舌头为中心、以头部为中心和连接坐标系中编码接触位置

为了测试latSC在舔水生成和瞄准中的因果作用，研究人员对latSC沿前后轴（AP轴）的四个不同区域进行了光遗传微刺激。结果显示，即使在无任务结构的情况下，latSC的光刺激也能可靠且快速地引发舌头伸出和舔水行为。重要的是，刺激的精确位置与第一次刺激引发的舔水伸出角度显著相关：后部刺激使舌头更偏向对侧外侧，而前部刺激则使舌头更偏向对侧内侧。这种地形分布与多种物种中SC在视觉引导定向和眼跳任务中的布局相似。结合电生理数据，这些发现表明latSC包含一个触觉引导舌头控制的机械感觉运动图，其地形分布与视觉运动图类似。

图5. latSC光刺激揭示了舌头瞄准的地形图