Nature:大脑的触感比身体敏锐
作者: mints 编译 / 791次阅读 时间: 2020年3月20日
标签: 触觉 体感皮层 帕西尼亚接收器
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大脑的触感比身体敏锐
mints 编译

当你把自己的手指放在一个物体上时,你就可以察觉到手指和物体的接触。

卢克·米勒(Luke Miller)是一位认知神经科学家,他正在公寓里玩窗帘杆,突然他有了一个惊奇的发现,当他用窗帘杆击中一个物体时,即使没有看,他也能分辨出手里握着的窗帘杆和物体接触的位点,这就像是身体的感官延伸到了窗帘杆的顶端。

“这有点奇怪,”米勒在回忆起自己的想法时说道,“所以我去了实验室,在实验室里玩这个游戏。”

通过工具获得触觉感知并不是一个新的概念,尽管这样的研究不是很多。

17世纪,法国哲学家笛卡尔讨论了盲人通过手杖感知周围环境的能力。虽然科学家们对工具的使用进行了广泛的研究,但他们通常关注的是人们如何移动工具。米勒说:“以往的研究大都忽视了工具使用时的感官的部分。”

法国里昂大学的米勒及其同事于2018年发表在《自然》杂志的报告说,人类实际上非常擅长用触觉精确定位物体与手持工具的接触位置,就好像物体接触到了自己的皮肤一样。


A:笛卡尔的盲人用两个手杖对物体的距离进行三角测量。
Miller, L.E., Montroni, L., Koun, E. et al. Sensing with tools extends somatosensory processing beyond the body. Nature 561, 239–242 (2018). doi.org/10.1038/s41586-018-0460-0

我们知道,工具和我们的皮肤不一样,工具不会受到神经系统的支配,那么我们的大脑如何知道工具在什么时候、什么位置接触到了物体呢?

2019年12月发表在《当代生物学》杂志上的一项后续研究结果显示,大脑中与感知到身体接触有关的区域,也同样感知到了工具的接触过程。米勒说:“工具成为了身体的感官延伸。”

在最初的实验中,研究人员让16名惯用右手的受试者确定他们在一米长的木棒上的感觉。在总共400个试验中,每个受试者比较了两次触棒的位置:如果觉得接触点不一样,则受试者没有反应。如果是同一个位置,参与者会踩下一个脚蹬来表示他们的触碰距离是近还是远。即使参与者没有任何经验,也没有即时的反馈纠正,参与者的平均准确率达到了96%。



在实验1 中,参与者坐在椅子上,右臂放在可调式扶手上。他们的右手握住一根木棒(长度:100厘米;横截面半径:0.75厘米),木棒的尖端放在支撑物上,以使其保持稳定并平行于参与者的中线。在参与者面前约100厘米的计算机屏幕上显示注视十字。左脚双踏板用于在任务中做出响应。

在实验过程中,研究人员用EEG脑电仪记录了受试者的大脑皮层活动,他们发现,大脑皮层会迅速处理接触工具的地方。在连续两次触碰同一部位的试验中,以前被证明可以识别身体触碰的大脑区域的神经反应明显受到抑制,这些区域包括初级体感皮层和后顶叶皮层。

有证据表明,如果大脑中负责触觉感受的区域接受到了反复出现的相同刺激之后,底层神经群的反应就会受到抑制。大脑可以测量这种重复的抑制,并作为“时间戳”来表示何时在大脑中提取刺激。

接下来研究小组测试了同一组受试者手臂的电极反应,研究人员在相同的时间尺度上观察到相同的大脑区域有相似的重复抑制。无论是接触杆的碰触,还是手臂的碰触,体感皮层(somatosensory cortex )在52毫秒(约二十分之一秒)内被抑制。在80毫秒时,这种活动抑制扩散到后顶叶皮层。


(A和B)在与杆(A)和手臂(B)接触(52 ms后,抑制作用仅限于主要的体感和运动皮层。(C和D)活动在与杆(C)和手臂(D)接触后80毫秒,然后扩散到后顶叶皮层中几乎相同的区域。

法国里昂神经科学研究中心的神经科学家、这两项研究的资深作者亚历山德罗·法恩( Alessandro Farnè)说,这些结果表明,“在工具上检测触摸位置的神经机制与在自己身体上定位触摸的情况非常相似”。

米勒说,有趣的是,每次接触后,杆会振动大约100毫秒。他补充道:“因此,当棒在手上振动完成时,你已经在那之前几十毫秒提取出了位置。”。皮肤下面的帕西尼亚接收器(Pacinian receptors)的触觉传感器完成了对窗帘杆振动的测试,并且将神经信号传递到体感皮层。计算机对手部的帕西尼亚活动进行了模拟,分析表明,体感皮层可以在20毫秒内有效地提取棒接触位置信息。

A:利用皮肤神经元模型(touchim)来模拟手部286个帕西尼亚接收器的种群。
B:模拟了帕西尼亚接收器(橙色圆点)对特定位置振动基点序列(绿色曲线)的响应。
C:给定帕西尼亚接收器群的峰值时间,我们可以在窗口大小为18ms(灰色虚线)时以100%的精度解码位置。红色箭头表示去掉外周体感之间的20 ms传导延迟后我们实际观察到的情况。

 

杆上的振动可能提供了触摸定位所需的关键信息。研究人员在同一个杆的重复实验中测试了一位失去右臂本体感觉的患者,这意味着她无法感觉到肢体在空间中的位置。然而,她仍然能感觉到表面的触碰,而且当她双手握棒时,她能够定位触碰棒的位置,而且,任务期间,她的大脑活动与健康患者相似。法恩说,这一发现“相当令人信服地表明,通过触碰传递的振动(足以让大脑定位触碰杆位置的)在患者身上是多余的。”

综上所述,这些结果表明,人们可以使用相同的神经过程快速有效的定位工具上的接触,以检测身体的触感。虽然法恩强调,研究中没有人认为这个工具“已经成为他们自己身体的一部分”,他说,这项工作表明,受试者的具身感官体验。在这种具身体验中,“大脑通过利用身体对物体的感知重新调整了其处理物体的策略。”

密苏里大学研究神经修复术的认知神经科学家斯科特·弗雷(Scott Frey)说:“这真是一项美妙、全面、周全的工作。”

弗雷没有参与这项研究,他认为研究结果有助于设计更好的假体,因为这表明“没有敏感性的物体可能成为一种体感系统,或许是潜在探测自世界信息并将其传递到的体感系统的辅助工具,”他说,“我认为,这并不是假肢设计界真正考虑的问题。但是这表明,他们也许应该考虑一下。这是一个很好的、新颖的、可以实现的想法。” 

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