大脑是如何感知身体以外的触觉？

体感系统，从大脑到手，想象地向外延伸，一直进入所拿着的棍子。Credit: Lottie Clark

认知神经科学家卢克·米勒(Luke Miller)在自己的公寓里摆弄一根窗帘杆时，突然有了一个奇怪的想法。当他用棒子击打一个物体时，即使不看，他也能分辨出它在哪里接触，就像它是他身体的感官延伸一样。米勒回忆说:“这有点奇怪。“所以我去了(实验室)，我们在实验室里玩了一下。”

通过工具感知触觉并不是一个新概念，尽管它还没有得到广泛的研究。在17世纪，哲学家哲学家雷内·笛卡尔（RenéDescartes）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研究，但他们通常关注的是人们如何移动工具。“在很大程度上，他们忽视了工具使用的感官方面，”米勒说。

在2018年《自然》杂志的一项研究中，米勒和他在法国的同事们报告说，人类实际上非常擅长仅通过触摸就能确定物体与手持工具接触的位置，就好像物体在接触他们自己的皮肤一样。工具不像我们的皮肤那样受神经支配，所以我们的大脑如何知道何时何地被触摸?12月发表在《当代生物学》(Current Biology)上的一项后续研究的结果显示，大脑中负责感知身体触感的区域在工具上也有类似的处理。米勒说:“这个工具被视为身体感官的延伸。”

在最初的实验中，研究人员要求16名右撇子受试者确定他们在一根一米长的木棍上感受到触碰的位置。在总共400次试验中，每个受试者都比较了在棒子上两次触摸的位置:如果在不同的位置感觉到它们，参与者没有反应。如果他们在同一位置，研究中的人会轻敲脚踏板，以表明触摸距离他们的手是近还是远。即使没有任何使用棒子的经验或对他们表现的反馈，参与者的平均准确率也达到了96%。

在实验过程中，研究人员使用头皮电极记录受试者的大脑皮层活动，发现接触工具的地方大脑皮层会迅速处理。在连续两次在同一位置触摸棒子的试验中，在先前显示的识别身体接触的大脑区域，包括初级体感(触摸)皮层和后顶叶皮层，有明显的神经反应被抑制。

有证据表明，当感觉大脑区域反复出现相同的刺激时，底层神经群的反应会受到抑制。这种重复抑制可以被测量，并用作“时间戳”，以表明刺激何时在大脑中提取。

当研究小组用触摸他们的手臂而不是棒子对一些相同的受试者进行测试时，他们在相同的大脑区域在相似的时间尺度上观察到类似的重复抑制。在接触杆子和手臂后，体感皮层在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整个后顶叶皮层。法国里昂神经科学研究中心的神经科学家亚历山德罗(Alessandro Farnè)说，这些结果表明，检测工具上触摸位置的神经机制“与自己身体上的触摸非常相似”。

米勒说，有趣的是，在每次接触后，杆子振动大约100毫秒。他补充说:“所以当棒子在手中振动完毕时，你已经在几十毫秒前提取出了位置。”杆上的振动被嵌入我们皮肤的Pacinian受体的触摸传感器检测到，然后将神经信号传递到体感皮层。计算机模拟手部的Pacinian活动显示，关于棒接触位置的信息可以在20毫秒内有效提取。

杆上的振动可以提供触摸定位所需的关键信息。研究人员重复了同样的杆子实验，测试了一位右臂失去本体感觉的患者，这意味着她无法感知肢体在空间中的位置。然而，她仍然可以感觉到表面的触感，并且当她双手握住棒子时，她能够定位棒子被触摸的位置，并且在执行任务时，她的大脑活动与健康患者相似。Farnè说，这一发现“令人信服地表明，通过触摸传递的振动足以让大脑定位触摸杆上的物体。”

综上所述，这些结果表明，人们可以使用与检测身体接触相同的神经过程，快速有效地定位对工具的触摸。虽然Farnè强调，研究中没有人认为工具已经“成为他们自己身体的一部分”，但他说，这项工作表明，受试者经历了感官化身，“在这种情况下，大脑通过重用它对身体的了解，重新利用处理物体的策略。”

密苏里大学(University of Missouri)研究神经义肢的认知神经科学家斯科特·弗雷(Scott Frey)说:“这真的是一项漂亮、全面的工作。”弗雷没有参与这项研究，他认为这些结果可以帮助设计更好的假肢，因为它表明“无敏感的物体可能成为检测世界的信息并将其传递给体感系统的方式，”他说。“我认为，假肢设计界的人并没有真正考虑过这一点。但也许这表明他们应该这样做。这是一种简洁、新颖的想法。”