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真的遥不可及吗,婴儿感觉到的触觉
发布时间:2020-01-12 15:24
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原标题:科学家让你拥有“第三只手”,还能让你“灵魂出窍”

奇痒难忍怎办?打开祖传秘方的18层纸包,里面赫然两个大字——挠挠。要说这挠痒,自然是哪儿痒挠哪儿,咔哧咔哧一抓,立马解刺痒了,痛快!但是有一群研究者们偏不走寻常路,反而鼓捣起了“镜像挠痒法”:左边痒了,你就挠右边,右边痒了,再往左边挠。要亲命了,这隔空挠痒能管事儿吗?

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对于刚刚离开妈妈温暖子宫的小婴儿来说,外面的世界广大而又陌生,还有不少新知识等待他们去学习。与成年人相比,新生儿感知世界的方式也有许多不同。发表在《当代生物学》(Current Biology)期刊的一篇论文就发现,在判断皮肤感受到的触觉刺激来自何方这个方面,小婴儿就与大人有着截然不同的表现\[1\]。较大的孩子和和成年人的触觉定位会受到“外部坐标”的影响,而在四个月大的婴儿身上,这种和外界的联系还未建立,他们只会从自身的“内在坐标”来进行感知。

作者:Ben Coxworth

还别说,他们一做实验,还真发现了效果:尽管没有直戳痒点那么好,但这镜像挠痒法,还真能缓解另一边胳膊的痒。不仅有结果,还发了论文,而且还评上了2016年搞笑诺贝尔医学奖,您说这玩意儿新鲜不新鲜。

1985年,躯体失认症患者Sacks这样描述自己的症状:“一个人应该能够分辨自己的身体,分辨哪些为身体所属而哪些不是——但这条腿,这样东西… 它不对劲,它不是真实的——我感觉不到它的存在,我觉得它不属于我”。

你的触觉定位系统,其实很容易受骗

如果有人有人碰了一下你的手、拍了一下你的肩膀,你肯定可以毫不犹豫地说出感知到触觉刺激的位置。但事实上,看似牢靠的触觉定位系统也很容易被“欺骗”。

“第三只手”就是一个经典的触觉“受骗”的现象。在卡罗林斯卡医学院的一项研究中,研究者们将一只橡胶手放在被试的手臂旁边,并用两只小刷子分别触碰被试右手和假肢的对应部位。结果显示,这样一个简单的动作就足以迷惑被试,让他们以为假手也是自己身体的一部分。当研究者突然用刀或锤子砸向橡胶手时,被试也会像自己的手受到攻击一样做出反应。

图片 2一个简单的动作,就可以迷惑人的触觉系统

也有研究发现,当成年人交叉双手时,对触觉位置辨别的表现会大打折扣。如果把食指和中指交叉起来,也会让触觉定位产生混乱。

这些现象其实都与人体内两套触觉定位系统的冲突有关。成年人的大脑若想确定一个触觉刺激的空间位置,可以参考的坐标系一共有两套。其中一套是我们自己的身体,其运作原理非常简单:左手感受到的刺激多半来自左边,右手则相反。另外一套坐标系则是外界空间方位,需要结合视觉、听觉和嗅觉等多种感觉信息才能正确把握,譬如,当你看到有人从左边碰你一下时,自然知道自己感受到的触觉刺激是来自左边。

在交叉肢体或者引入“第三只手”时,大脑会接收到来自内外两套坐标系相互矛盾的信息:明明是左手有感觉,但刺激却来自右侧。这时候,你就会发现触觉定位系统变得迟钝,一不小心还会给出错误的答案。

编辑:糖豆

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躯体失认症是一种离奇的神经系统综合症,它的存在从侧面证明了人类感知自我身体的能力直接受到神经系统的制约,换句话说,正是神经系统本身——而绝非身体本身——决定了我们对于自己身体的感知力。

小婴儿不会犯同样的错误

那么,婴儿是不是也会有同样的反应呢?为了弄清楚这一点,来自伦敦大学的研究者们找到了一群年龄分别为4个月和6个月的小被试,检验了他们在不同躯体状态下对触觉刺激位置的判断能力。宝宝们胳膊太短,研究者便在他们的脚上粘好遥控振动装置,同时手动帮忙保持双腿交叉或不交叉的状态。振动刺激出现后,婴儿哪一边的腿先动,就说明他们认为刺激来自哪一边。

图片 4实验中的婴儿被试。图片来自:Jannath Begum Ali

研究结果表明,出生后6个月的婴儿和成年人的表现相似,在双腿交叉时,他们对脚上触觉刺激的定位受到了影响,判断位置的正确率也随之下降到了50%左右。但是,出生只有4个月的小宝宝就不一样了,他们在双腿交叉时对触觉位置的感知和不交叉时并没有什么差别,反应的准确率保持在70%左右,他们整体的反应速度也比6个月大的婴儿要快得多。

这样看来,在4个月大的时候,婴儿们还没有建立起触觉与外界坐标之间的联系,他们只会以身体的“内部坐标”作为依据来感知触觉刺激的方位。由此还可以推测,人类利用多种感觉信息确定外部空间位置的能力很有可能是在出生后4个月到6个月之间建立起来的。在那之后,我们的大脑在内在和外在坐标相互矛盾时就会变得困惑不已了。

这种“交叉错觉”的现象听上去是感官准确性的退步,但事实上,这反而是件好事:它证明我们的大脑学会了如何将身体感受到的触觉信息与外界空间建立联系。而在这一联系建立起来之前,婴儿所感受的世界或许是我们成年人难以想象的另一种面貌,也是一个值得深入探索的有趣课题。(编辑:窗敲雨)

文章题图:shutterstock 友情提供

科学家们在瑞典斯德哥尔摩的卡罗林斯卡医学院(Karolinska Institutet medical university)完成了一系列的实验。在实验中,研究者们将一只橡胶仿真假肢放在志愿者手臂旁边,这样他们可以同时看到这三条手臂。为了使志愿者产生拥有假肢的感觉,研究者用两只小刷子分别触摸志愿者右手和假肢的相同部位。

但是——您可听好了——要想实施镜像挠痒大法,光伸手往反方向挠可远远不够。要想成功止痒,至少得有一面正确摆放的镜子——以及一个乐意帮你挠痒的热心肠。

与躯体失认症截然相反的病症则是幻肢觉——在伤口痊愈后的很长一段时间里,80%以上的截肢者仍然可以感觉到自己失去的肢体。幻肢觉无时无刻不伴随着大部分意外失去肢体的人们,当残肢被触摸的时候,他们能够感受到失去的手臂或腿部正在受到压力;不论是在走路、坐下或是伸展四肢时都会觉得肢体仍然在正常运动。

参考资料:

  1. Ali J B, Spence C, Bremner A J. Human infants’ ability to perceive touch in external space develops postnatally[J]. Current Biology, 2015, 25(20): R978-R979.
  2. Heed T, Azañón E. Using time to investigate space: a review of tactile temporal order judgments as a window onto spatial processing in touch[J]. Frontiers in psychology, 2014, 5.

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没错,要想用镜像挠痒法挠挠胳膊,一个人还做不来。下面,我们来学习一下标准姿势:假设一个人右边的胳膊痒,那他要把两只胳膊平放在桌子上,中间再立上一面垂直的镜子。镜子会把右边的胳膊挡住,并且照出左胳膊的影子。等待挠痒的这位眼睛不能乱看,还得盯着镜子里颠倒的左胳膊。接下来,另一位帮忙的就登场了,他负责拿个小铜片之类的东西挠这人的左胳膊——而且,要准确无误地挠到和右胳膊上痒的地方对称的位置。

究竟是什么使得肢体健在的人在意识上却对自己的身体“视若无睹”?又是什么使得因故失去肢体的人对自己“拥有肢体”这一执念如此之深?换句话说,我们的大脑依据什么来判定自我与非我的边界?“自我意识”对于神经系统而言到底意味着什么?——“我是谁”这一问题作为哲学三大命题之首早已于2005年在 Science 杂志周年庆典时被评为最重大的科学问题之一,自然地,这个“棘手”的问题也被神经科学家们不断地探索和提及。

图片来源:Henrik Ehrsson

图片 6实验中,被试们一边看着胳膊的镜像,一边享受着实验者的挠痒服务……图片来自原论文

“自我意识”的涵盖面复杂而广泛,但值得庆幸的是,总有那么一小撮研究者们敢于接住这烫手的山芋——比方说,以“身体拥有感”这一感知作为切入点,通过神经科学的手段来探索意识的本质和自我的边界。

这场研究的管理者之一Arvid Guterstam说:“这时,志愿者的脑海中会产生一种错觉,到底那一只手才是自己的?大家都清楚地知道:只有一只手臂属于自己的身体。但是最终我们惊讶地发现大脑解决这场冲突的结果是:接受这两只右手都是自己的,也就是说,志愿者产生了拥有第三只手的感觉。”

接下来,就可以见证“镜像挠痒法”的奇迹了!被这样挠过的被试们纷纷表示,自己事先被注射了少量组胺而痒个不停的右胳膊得到了明显的缓解。效果好极了(其实没有直接挠右胳膊好),鹅妹子嘤!而如果撤掉镜子,直接挠左边胳膊,就没有什么解痒效果了。

橡皮手效应指的是在特定的多感官条件下,我们将人造手或假手误认为是自己的手的幻觉体验过程。举个例子,当自己真实的手和人造假手以相近的姿态放置,并同步地施加刺激,或以相同姿态同时运动时,那么在真实手被掩蔽的情况下,我们就会自然而然地产生一种“模型假手好像是我的手”的奇妙错觉——对模型假手产生了拥有感。

为了证实志愿者对假肢的认可程度,研究学者们用小刀假装刺到假手或者真手中的一个,然后测试其相应的应激程度。结果表明,无论是真手被刺还是假手被刺,志愿者都会表现出相同的压力反应。

但是人那位就问了,你们这说的这都可信吗?哪儿啊,随便放个镜子挠挠另一边儿就不痒了,那我这痒的地儿不啥都没感觉着么?还别说,这里面还真有些道理。

认知心理学家们在1998年首次发现了这一神奇而稳定的现象,然而长久以来科学界却一直缺少一个身体拥有感和身体所有权错觉在神经系统层面上的合理解释。

研究学者们希望,这项实验能够对假肢应用研究有所帮助。将来或许这会对中风患者有所帮助,中风患者可能会变的半身不遂,这就使他们虽然瘫痪但依然有一部分的身体还有感觉,所以有可能实现像感知自身肢体一样使用假肢。这也可以帮助那些在工作中需要多项兼顾的人们,比如救火时的消防员,医院里的护工等。

这痒痒的感觉,是从皮肤上的感受器开始的,但它的感知和调节,很大程度上都是中枢神经系统在起作用。在这里,各种感官信号也会被综合在一起进行考虑。而如果大脑接受到了互相矛盾,或者模棱两可的知觉信息,那么就能够产生各种各样的错觉。而在这里,痒的缓解其实就可以看成错觉的结果:精心摆放的镜子和对称的挠痒,事实上都是为了让人们在视觉信息的引导下,把镜子中的左胳膊当成是自己的右胳膊。研究者认为,大脑在处理这些矛盾的知觉信息时,可能就以镜子里看到的挠痒线索为依据,把左边触觉感知到的挠痒“转移”到了真正发痒的右胳膊上。于是,痒痒就得到了部分缓解。

那么,这种错觉在我们的脑中究竟是如何产生的呢?

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其实,之前人们也发现过类似的错觉现象。只要有合适的诱导,人们不仅能把左右手搞错,甚至还能把一只假手当成自己身体的一部分。这就是著名的“第三只手”错觉:只要让被试们一边感受着自己的手被小刷子触碰,同时看着一只橡胶假手被同样的刷子拂过,这就足以让人们感觉这只假手是自己的。这时候,如果突然拿个叉子去猛扎假手——您猜怎么着,这被试能吓得蹦起来!就跟自己的手被扎了差不多。(更多阅读:科学家让你拥有“第三只手”,还能让你“灵魂出窍”)

2019年9月4日,《美国科学院院刊》在线发表了题为《猕猴自我身体编码的统计模型和神经元表征》的研究论文,该工作由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的王立平研究组完成。研究人员利用自主设计搭建的虚拟现实呈现系统,在猕猴和人类被试上建立身体幻觉行为学范式,并对其身体拥有感进行定量行为学测量和计算建模。更重要的是,研究人员通过电生理记录的方式,发现了猕猴大脑前运动皮层的群体神经元以贝叶斯因果推断的方式对身体拥有感进行编码。

中风患者虽然瘫痪但依然有一部分的身体还有感觉,这项研究有可能帮助患者像感知自身肢体一样使用假肢。图片来源:pixabay

图片 8我的天呐,吓死了!“第三只手”错觉演示

对于研究手臂感知的实验来说,其中一个关键问题是,如何设计实验来测量被试对手臂的拥有感。虽然,对于人类被试,我们可以非常方便地要求他们口头汇报,但显然这种方式并不适用于动物。幸而,橡皮手错觉的实验告诉我们,当被试看到的假手和他的真手位置不一致时,被试对假手拥有感的强弱与他汇报的手臂位置往假手方向的偏移程度——本体感觉偏移——非常相关。利用这一点,研究人员巧妙地设计了一种目标点指向任务,要求猕猴和人类被试在自己的真手被遮挡的情况下,尽量准确的用自己的手指向目标点。同时,研究人员利用计算机处理,在视频上实时呈现被试的手臂画面。并且,为了产生不同程度的错觉效果,视频中的手臂画面与被试的真手会存在不同程度的偏差。如图1中所示,如果视频中的手顺时针偏转30°,由于错觉的存在,被试感觉到的手臂位置会往视频中假手的方向偏移,因此,他们指向的位置会偏向目标点的左侧。此时,目标点就代表了被试主观上感觉到的手臂位置,目标点与真手之间的偏差程度则代表了被试多大程度上觉得视频中的就像是自己的手。

科学家不仅让你拥有“第三只手”,还能让你“灵魂出窍”。

可是那位又问了,你说有道理也白搭啊,右胳膊痒了还不是直接挠右边效果最好?那你这费半天劲又搁镜子又找人的,这么折腾是为个啥呢?人家研究者也说了,这法子,可以留到不方便直接挠的时候用。有的时候,皮肤发炎破溃,是痒,但是大夫可不让你玩儿命挠——好么,越挠破的越厉害,再落个感染,那还好得了啊。你要说涂药膏呢,有时候也不能把这痒完全止住。这种时候,“镜像挠痒法”就是您全新的选择了,安全有效,保证对患处没有影响!

图1 人和猕猴实验设备和行为学任务示意图

在早前卡罗林斯卡医学院的一场相关研究中,研究者宣称:他们使测试者产生了“灵魂出窍”的感觉,属于自己的身体仿佛不是本身的那具,而是测试中的其他身体(模特,或是另外一位测试者的身体)。目前,我们还在等待这项研究的后续结果,看实验结果是如何达到的,以及是否被证实。

以后再痒了,找谁帮着镜像挠?考验友谊的时刻又到了……

从本体感觉偏移的测量结果可以看到,人类被试和猕猴都展现出了类似的行为模式。当视频手和真手偏差较小时,被试更偏向于相信看到的视觉手就是自己的手,此时本体感觉偏移由视觉信息主导;而当偏差逐渐增大时,被试越来越不相信看到的手是自己的手。人类被试的问卷也表明,被试此时失去了对视觉手臂的拥有感,被试受视觉信息的影响减小,这时的本体感觉偏移也就不再增大,甚至反而减小了。这项实验首次证实了猕猴也能产生与人类被试类似的橡皮手错觉。

负责此项研究的Henrik Ehrsson解释了这项研究的用途:“如果我们搞清楚大脑如何产生对自己身体的控制感,那么我们将从中学会对人造躯体、虚拟身体的控制方法,甚至可以创造‘将两人身体互换’这一神奇体验(移魂换体?)。”

题图来源:123rf.com.cn正版图片库

那么,究竟是怎样的计算机制控制着这种身体错觉的产生呢?相信大家都听说过贝叶斯理论,如果我们的大脑接收到的各种信息之间存在冲突,那么大脑就需要根据各种信息的可靠性来推测真实的情况。将这个原理利用到身体感知中,便有了贝叶斯因果推断模型。目前神经科学家们普遍认为,我们的对身体的主观体验并不是感觉信息的直接反映,而是大脑结合外部感觉信息和内部已经存在的经验共同建构出来的。在某些特定的条件下,比如精神分裂症中,当神经系统的感知整合不再受控,我们的主观体验也会随之偏离正轨。

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参考资料:

图2 行为学结果和模型拟合结果。A. 行为学结果以及两种模型的拟合结果比较。B. 模型拟合的Pcom与人类被试的错觉打分非常类似。左侧图为两名典型被试,红色线为Pcom,蓝色线为错觉打分;右侧图为被试间的相关性。

图片来源:电影《大都会》剧照。

而我们的大脑则类似于一架贝叶斯推断机,它能够整合根据经验得到的先验预期和当前感官接收到的信息来估计相关事件发生的概率。

到目前为止,他发现在科学家发现当二人外表或性别不同时,也能产生这种错觉。然而,我们还不能将自己看成是非人(形)的物体,如椅子或大木块。而在一场正在进行的机器人相关项目中,研究者们正在尝试是否能将测试者的“感知身体”缩小到芭比娃娃的大小。

事实上,研究人员发现人和猕猴的行为结果确实符合贝叶斯因果推断模型的预测(图2A):当视频中的手和真手的空间位置越接近,大脑认为两种信息来自同一来源——都真实地反应了自己真手——的可能性就越高。此时,主观感觉到的手臂位置也就会更偏向视频中手臂的位置。同时,人类被试对视觉手拥有感的打分也越高。统计结果也证实,视觉手拥有感打分和模型拟合得到的Pcom间存在显著的相关性(图2B右)。

题图来源:Henrik Ehrsson

图3 贝叶斯因果推断模型

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更为重要的是,研究人员还发现猕猴前运动皮层中群体神经元的放电活动与行为学水平上的手臂错觉程度密切相关。无论在何种程度的偏转条件下,当错觉较强时,群体神经元的放电模式与偏转0°时的反应模式更相似;而当错觉较弱时,其放电模式与偏转0°时反应模式的相似度也就越低。

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为了进一步验证这一发现,研究人员又将视频中的手臂画面替换成了一块尺寸相似的木块。根据贝叶斯因果推断模型的预测,当我们看到的物体的外观与真正的身体明显不一致时,大脑内已经存在的经验 (Prior)会告诉我们看到的物体不太可能是身体的一部分。因此对视觉木块的拥有感将显著降低。实验结果确实验证了这一预测,相比视觉手臂组,木块组中人和猕猴的本体感觉偏移显著降低。并且,木块条件下模型预测的视频上的手和真手来自“同一来源”的概率(Pcom)显著低于手臂组。这些结果也进一步证实了模型中的 Pcom与手臂拥有感的相关性。神经元的活动也显示,猕猴前运动皮层中群体神经元在木块条件下的放电反应与偏转0°时反应的相似度明显降低(图4右,整体颜色更蓝)。

责任编辑:

图4 前运动皮层群体神经元反应模式

综合这些结果,研究人员认为,我们大脑对自己身体的感知不仅依赖于外界感觉信息的输入,还会结合大脑内已经存在的经验信息,并以贝叶斯因果推断模型的方式组合这些来自不同层面的信息。其中的核心步骤,对“同一来源”这一概率的编码则主要与前运动皮层神经元的活动有关。

一直以来,由于缺乏可靠的方法改变动物对身体的感知并测量这种改变,我们对于自我身体感知背后的神经机制几乎一无所知。这项研究不仅为自我身体感知的理论模型提供了重要的行为学和电生理证据,更重要的是为进一步研究身体自我意识的神经机制提供了可客观测量的行为学任务和非人灵长类动物模型。这为将来真正理解自我意识,人工智能和脑机接口的研发以及精神疾病的治疗提供了重要的实验基础。

最后,让我们再回到最初的问题:自我意识真的遥不可及吗?那些看似抽象的哲学问题真的不能被研究吗?

也许从一开始,我们就问错了问题——可能更有意义的提问方式是,面对这个极端复杂而又奇妙的问题,我们可以做些什么来推动它的进展,我们能够创造出怎样的科学手段来改善长久以来的茫然无知的现状。我想最终的结果一定会是很多神经科学家们所梦寐以求的。

作者:方文、李俊汝、齐光耀、李晟豪

来源:中国科学院神经科学研究所/脑科学与智能技术卓越创新中心