你的皮肤可以感知声音吗?
利维坦05-17

 

利维坦按:本文主人公的联觉经历总会让我想起神经学家拉马钱德兰(Ramachandran)治疗两位截肢者时发现的现象:他们都失去了一只脚,但生殖器似乎敏感起来了。一名患者甚至说,他的高潮会从生殖器一直延伸到他截掉的脚上(幻肢)。

皮层拓扑地形图(Cortical topography),俗称为小矮人 / 侏儒(Homunculus)

基于加拿大神经外科医生怀尔德 · 彭菲尔德(Wilder Penfield)的皮层拓扑地形图,我们现在已经知道,类似于中国过去的 " 裹足 " ——当脚部皮层发生萎缩,生殖器神经便侵占了脚部皮层原有的地盘。这种大脑神经的强可塑性,在本文曾罹患中风的谢里琳 · 劳斯身上也得到了验证,只不过,她的 " 高潮 " 有些痛苦:当周遭出现某些声音的时候,她的皮肤会有针刺般的感受。

本文中还有一个令人激动的假设:在人类漫长的演化过程中,触觉和听觉在很早以前可能是同一种,或者说,我们听到远方声音的能力,可能是通过调整处理触觉的相同机制来实现的。不管未来是否会得到印证,仅想一想就足以让人惊奇不已了……

文 /Virginia Hughes

译 /Anthony

校对 /Wolibanat

原文 /nautil.us/issue/10/mergers--acquisitions/sound-and-touch-collide

本文基于创作共同协议(BY-NC),由 Anthony 在利维坦发布

托尼 · 罗(Tony Ro)关于大脑对声音和触觉混合处理的研究,可能始于一次聚会。那是 2000 年春天,在德克萨斯州的休斯顿,罗刚刚在莱斯大学建立了他第一个实验室。这次聚会是为了帮助这些新员工互相认识而举办的。彼时罗正在和 34 岁的哲学家谢里琳 · 劳斯(Sherrilyn Roush)交谈,她告诉了罗她关于科学的可靠性和易错性的所有工作,而罗告诉了她他所做的工作,关于人脑是如何将我们所看到、听到和感受到的信息流综合处理的相关研究。

" 我对他说,‘这样的话,你应该来研究我的大脑!’ " 劳斯哈哈大笑地回忆道," 然后我立刻想到,噢,他可能在每个聚会都会谈起这些。" 罗兴致勃勃地问她,她的大脑有何特殊。她解释说,几个月前她曾中风,从那时起她的身体左侧常常会感觉麻木。" 然后他说,‘是的,我想我应该研究你的大脑。’ "

在接下来的几年里,劳斯曾数次前往罗的实验室进行各种行为检测和脑部扫描。在一次实验中,她坐在椅子上,手臂在椅子的把手上放松地搭着,双手的中指上都被套上了一个戒指状的电极。在整个实验过程中,电极会向右手、左手、双手间歇地释放电流。劳斯负责告诉研究者她何时会感到微弱的电击。罗在很长一段时间对他所收集到的数据十分困惑,"她持续地告诉我们感受到了电流经过,即使我们并没有施加这种刺激。" 他说," 我想不明白这件事情。"

5 年后,罗想到了一个可能的、也许听起来有些奇怪的解释。实验的过程中,在每一次操作前都会播放一次长为 500 毫秒的警示音,他想,也许劳斯是对那个声音产生了反应?他赶忙发了一封电邮给她。" 当你听到那个声音,你的双手有感觉吗?" 他写道。劳斯很快回复了他:是的,实际上,她的皮肤对声音十分敏感,在她朋友弄出噪音的时候,她常常有被针刺的感觉,这让她非常苦恼。不仅如此,她的身体对于休斯顿的一位广播名人清脆而缓慢的嗓音也常常产生不良的反应," 随着广播员的播报,我的整个身体会对某些音调产生抗拒," 她告诉罗," 我必须换台。"

罗意识到,劳斯的中风让她产生了联觉(synesthesia),一种神经将各种感觉混在一起的症状。

哲学家谢里琳 · 劳斯会对声音产生 " 触觉 "。图源:Ren Dodge

通常认为,人类有五种感觉:视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。数十年来,科学家们认为,大脑皮层或是大脑外层会分别对这些感觉进行加工和处理,接着再由大脑不同的脑区进行整合。举例来说,大脑后侧皮层组织中的细胞可能与视觉有关,而耳朵上侧的细胞可以对声音做出反应。但是最近,研究者开始对感觉处理中所谓的 " 单模脑区 "(uni-modal)模型产生怀疑,这种模型认为脑皮质区会同时对多种感觉产生响应,并将各种信息整合起来。

在劳斯身上,罗发现了一个很好的有关感觉混合的极端案例。人们对于联觉所知甚少,但是长期以来,关于这种症状的各种报道层出不穷。例如抽象画家瓦西里 · 康定斯基(Wassily Kandinsky)在听歌剧时,脑海中就会出现 " 狂野的,近乎疯狂的线条 ",他曾说过这一现象自幼时就已经显现,并且他在混合颜料时会听见嘶嘶的噪声。小说家弗拉基米尔 · 纳博科夫(Vladimir Nabokov)认为他名字中的字母 "V" 带着一种 " 苍白,透明的粉色 ",而字母 "N" 则是 " 灰黄的燕麦色 "。物理学家理查德 · 费曼(Richard Feynman)认为方程式是有颜色的。20 世纪 90 年代前,心理学家否认了这些说法,并认为它们是幻觉,直到对联觉者的脑部扫描证实,他们的感受脑回路会接收来自某一种感觉的信息,并将它们解释为来自于另一种感觉。

《构成第七号》,康定斯基。图源:wikipedia

某种程度上,我们都有联觉的症状。

劳斯独特的联觉症可以通过皮肤感知声音,这种现象从未在文献中有过报道。罗于 2007 年首次报道了她的案例并继续对她进行研究,试图找出这种感觉的混淆是如何发生在她的大脑中的。通过这些研究,罗得出了一个有趣的理论:劳斯对于听觉和触觉的混合只是一种发生在我们脑中相同反应的放大版。

毕竟,我们中的大多数人在听到指甲摩擦黑板的声音时都会痛苦的颤抖,或者在惠特尼 · 休斯顿(Whitney Houston)唱出高音时打个冷颤。考虑到大脑中处理声音和触觉的细胞的相似性,罗甚至表示听觉有可能是由触觉进化而来的。这些感觉细胞共同的祖先可能曾让这两种感觉有着广泛的 " 合作 ",这是科学家们所从未预料到的。" 大脑的某些区域可以相互融合,或者一个区域可以将另一个区域合并," 罗说,他目前在纽约城市大学(The City University of New York)工作。" 某种程度上,我们都有联觉的症状。"

理论物理学家费曼认为方程式是有颜色的。图源:Popular Mechanics

早在 1960 年,对猴子大脑的研究就表明,大脑皮层会将感官信息分类,并在各自的类别中按照信息的等级顺序进行处理。

以研究最多的感觉系统视觉为例。当一个猴子看着某物的时候,光线汇集眼睛的后部,那里有专门的细胞将光信号转化为电信号。接着这些信息会由眼睛送至大脑中部的中转中心——丘脑,从丘脑中传出的信息会被递送到大脑后部叫做初级视觉皮层(primary visual cortex)的区域,即 V1 区,这个区域的细胞对于粗糙的视觉特征非常敏感——例如颜色和线条的空间方向。从 V1 区传出的信息会进一步在 V2、V3、V4、V5 区进行整理和分布。例如 V5 区域内的细胞会将低级区域中传递过来的视觉信息进行整合,以帮助动物感知移动物体的速度和方向。在视觉皮层之外,处理后的信息会与来自其他感官的信息汇合。

图源:www.cog.brown.edu

研究者在其他的感觉系统中也找到了相同的分级结构。所有的这些研究工作都表明,初级大脑皮层的每个特定区域一次只会处理一种感觉信息,大脑并不会将不同种类的感觉信息混为一谈,直到信息传输到更高级的区域。

这种教条认知自 20 世纪 90 年代末开始崩塌,神经学家查尔斯 · 施罗德(Charles Schroeder)在他犯下的一个错误中得到了一些意外的科学发现。那时,在纽约纳单 · S · 克莱恩精神病研究所(Nathan S. Kline Institute for Psychiatric Research),施罗德正和同事们在猴子身上研究注意力对于听觉的影响。在这些实验中,他们将一个电极放在猴子的初级听觉皮层中,并记录下猴子在听到喀嗒声和哔哔声时细胞发出的电信号。

红色区域为躯体感觉皮层。图源:Wikimedia

初级听觉皮层位于躯体感觉皮层(somatosensory cortex)的正下方,通常对于触摸有反应(somato 来源于希腊语中的 " 身体 " 一词)。一天,研究者将一个电极放在一片特殊的细胞区中,这片细胞区在猴子被触碰时就会剧烈放电,由此他们推测躯体感觉皮层正是位于这里。然而,他们很快意识到,这比他们原先认为的听觉皮层位置更深,这意味着这一区域可以同时对听觉和触觉产生反应。" 我们说,我的天呐,我们必须研究这个," 施罗德回忆道。在最初的发现之后,他的团队开始深入研究这两个区域之间的联系,最终发现部分的躯体感觉皮层也可以对声音产生反应。" 这些系统密切相关。" 他说。

大约在同一时期,其他实验室也开始报道感觉皮层对于多种感觉的处理。例如,在脑部扫描中实验发现,当受试者一边看着文字一边听讲时,他们的听觉皮层会做出不同的回应,而他们的初级嗅觉皮层(primary olfactory cortex)——大脑中处理嗅觉的区域,在他们看到描述气味的单词时会被激活,例如 " 肉桂 " 或者 " 大蒜 "。

这种感觉的合并,似乎在那些由于失去感觉输入而导致大脑重构的病人身上格外独特。例如,在一份报告中描述了一个代号为 PH 的病人,他自童年起就开始逐渐失去视力,直到 40 岁双目已经完全失明。两年后,PH 身上出现一种奇妙的联觉——当他在用手阅读盲文时,会产生一种 " 侵入性的视觉感受 ",包括在他的脑海中会出现移动着的、彩色的斑点。当研究人员在实验室中敲击他的手指时,他的视野中会产生 " 跳跃 " 和 " 旋转 " 的体验。

考虑到那些特殊的病例和施罗德的猴子实验,罗决定去研究劳斯的中风是否导致了她感觉回路的重构,罗在她听动物叫声、电动工具的声音、纯音乐和其他一些声音时检测了她的大脑,2008 年,他在报告中表示,那些声音不仅激活了劳斯的初级听觉皮层,而且还对她的躯体感觉皮层产生了作用。她当然早已知道,这些声音有时会在她的胳膊以及手部的皮肤上引起奇怪的感觉。但是对她大脑的扫描给出了神经学上的证据,她的大脑会将声音解释为触觉

图源:Virginia Hughes

一些研究者认为像劳斯这样的联觉可能是单模感知规则中的例外,而不是每个人都有的多模感知的放大,墨西哥城的墨西哥国立自治大学神经科学家拉努尔夫 · 罗莫(Ranulfo Romo)发现了传统模式下感觉处理的证据。他和他的同事们训练猴子区分传送到它们指尖的,两种不同的声音频率(低频与高频)以及两种不同的触摸频率(慢速与快速脉冲)之间的区别。猴子听觉皮层中的神经元对两种不同的声音产生了不同的放电模式,但是对于两种触摸频率就没有产生这种现象。类似地,躯体感觉皮层中的神经元选择性地对不同的触摸刺激做出响应,但是对声音却没有这种区分。

基于这些实验数据,罗莫准备否定初级神经皮层可以对多种感觉产生响应的观点。研究表明,其他地区可能会出现轻度刺激,但这并不表明这些地区在交叉处理这些感觉信息," 我认为,视觉皮层只属于视觉,听觉皮层只处理听觉信息,躯体感觉皮层只处理体感输入," 他说。

受试者的初级嗅觉皮层——大脑中处理嗅觉的区域,在他们看到描述气味的单词时会被激活,例如 " 肉桂 " 或者 " 大蒜 "。

施罗德提出了一个折中的观点:初级皮层确实只处理一种感觉,但是来自其他感官输入的信息会产生一种被科学家们称作 " 调节效应 " 的作用,这意味着它们会对来自于初级感觉皮层的信息进行细微的调节。这与在嘈杂的鸡尾酒会上与某人交谈相似,阅读他们的嘴唇形状可以帮助你们理解他们在说些什么,施罗德解释道。正如他最近的一项研究所表明的那样,交谈中对唇形的阅读会调节听觉皮层的活动节奏。" 这并不意味着听觉皮层本身可以看见什么,而是它具有提升视觉感知能力的调节作用。"

图源:Amino Apps

在正常人群中,这种感觉的融合可能较为轻微。但是如果一个感觉皮层因为中风或者其他脑部创伤而受损,罗怀疑在愈合过程中,受损部位与其他区域之间的神经联系可能会有所增加。也许这就是发生在劳斯中风之后的事,中风破坏了她右侧丘脑中的脑细胞。在之后的一年半里,她的左半边身体失去了很多感觉(因为我们的感觉神经的连接方式,右侧丘脑会对左侧身体产生影响)。但她的触感并没有完全消失,只是如果有什么东西敲击她的左侧身体,她的感觉要比中风前轻微得多。

她丘脑中的受损部分,罗推论道,一定是负责将触觉信息传输到躯体感觉皮层。这一区域受损而不再发挥作用后,似乎它的隔壁邻居——初级听觉皮层,接管了感觉皮层原先的工作。一段时间后,听觉皮层开始支配她的躯体感觉皮层,进而导致了她产生奇怪的触感。去年,罗在劳斯大脑的另一个影像学研究中找到了支持他理论的证据,他使用了一种叫做弥散张量成像(diffusion tensor imaging)的大脑成像技术,这种技术可以对于连接不同脑区的神经束进行示踪。他发现了劳斯听觉皮层和躯体感觉皮层之间有着紧密的联系,这一现象同样表明她的躯体感觉皮层已经获得了传输听觉信息的功能。

但这是一个难题:在 17 个正常对照实验中,罗同样可以发现这些区域之间的联系。这些联系并不像他在劳斯脑中观察到的那般紧密,但是它们同样存在。" 现在越来越多的证据表明,感官之间是相互关联的。" 他说。

如果感官真的连接在一起,那么下一个问题就是它们之间的连接是否平等。大量的研究表明——不仅是来自神经科学的研究,还有来自于进化生物学和电子工程的研究——都表明听觉和触觉共享深层次的联系。比起其他的感受系统,这两个系统的生物学框架非常相似,视力取决于对光敏感的视细胞,而味蕾和鼻子可以检测化学物质。相比之下,听觉和触觉取决于细胞的机械调整。在内耳中," 毛细胞 "(hair cells)的纤毛会对声波产生响应。皮肤细胞中有着类似的 " 机械感受器 "(mechanoreceptors)可以感应身体压力。

一些关于鱼类进化的研究表明,毛细胞是从可以检测周围水中振动的感知器官中的细胞进化而来。而且由于人类和其他哺乳动物都是从鱼类生物进化而来,可能这些原始的振动感受器让我们进化出了目前的听觉。罗推测道,在数百万年的进化过程中," 我们听到远方声音的能力,可能是通过调整处理触觉的相同机制来实现的。"

她的触觉并没有完全消失,但是如果她被什么敲击了,她的感觉要比中风前轻得多。

图源:Amino Apps

尽管是推测性的,但目前科学家们认为这种听觉触觉的融合很可能反映了一种早期的状态,很久前这两种感觉很可能是一种。然而,如今处理这些感觉的脑区之间如何相互作用,仍有很多未知。很可能我们称作听觉皮层的区域本身不能解释声音,而是频率或是其他形式的信息,无论这些信息是来自于声音还是振动。

为了支持这一想法,麻省理工学院的声学工程师路易斯 · 布拉伊达(Louis Braida)和夏洛特 · 里德(Charlotte Reed)进行了一系列实验,他们同时向受试者发出声音信号和指尖脉冲。当声音和触觉频率达到一致时,受试者听到了本应在没有施加脉冲时听不见的声音,但是想要发现大脑是如何将这两种信号整合的,还有很长的路要走。

听觉皮层和躯体感觉皮层之间关系的这种联系也是有益的,其中之一的益处就是,那些受伤的病人可以依靠这种联系重获触觉或是听力,尽管是以一种稍显不同的方式。劳斯中风后已经过去了 14 年,她那时常会产生联觉的大脑仍在以一种又令人沮丧又丰富多彩的方式进行着调整。大约 5 年前,她开始对声音表现出高度的敏感,即使是在安静的公寓中,她仍然需要整天戴着耳塞来保持精力集中。但从积极的角度来看,劳斯,作为一名舞者的劳斯对音乐的节奏更加敏感了。" 我可以更加强烈地感受到它们,也可以同时欣赏到更多的节奏。"

她将这一切归功于她的大脑,试图在用声音从外界环境中获得更多的触觉信息。由于中风,她左侧身体的感觉能力仍处于较低的水平。有时,这种神经的补偿方式常常让她觉得像 " 试图用牙膏擦洗地板一样 ",她说道。" 但实际上,尽管这种感觉并不总是那么强烈,但是也已经足够强烈了,它可以告诉我,我的胳膊、头部和腿部在哪儿。我想这才是重点。"

参考文献:

1. Ro T.   et al. Ann Neurol   62, 433-441 ( 2007 ) . PubMed:   http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17893864

2. Armel K.C.   et al. Neurocase   5, 293-296 ( 1999 ) . Abstract:   http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/13554799908411982#.Uul1tmRdWm0

3. Beauchamp M.S. and Ro T.   J. Neurosci   28, 13696-13702 ( 2008 ) . PubMed:   http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19074042

4. Lemus L.   et al. Neuron   67, 335-348 ( 2010 ) . PubMed:   http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20670839

5. Ro T.   et al. Cereb. Cortex   23, 1724-1730 ( 2013 ) . PubMed:   http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22693344

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