正如許多父母一樣，大衛(wèi)·金蒂（David Ginty）辦公室里全是他“基因創(chuàng)作”的照片:有的渾身是刺，戴著鉚釘項(xiàng)圈，有的揮舞著套索夢想成為牛仔，有的反應(yīng)過度，容易惹惱，有的心思縝密，有的是父母最引以為豪的“金童”。

他說：“他們就像一個(gè)家庭。每一個(gè)人都有自己的特點(diǎn)和個(gè)性?！?/p>

然而，他們并非真正的家庭成員，也不是他的孩子。經(jīng)過數(shù)百萬年的演變，它們賦予了人類與其它哺乳動物和物理世界互動的能力。金蒂作為哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物系的負(fù)責(zé)人，20多年來一直專注于這些感知觸覺的神經(jīng)元。他比任何人都更了解他們:他掌握了他們的電信號語言，知道他們對哪些力量有反應(yīng)，并繪制了他們從皮膚深入大腦的復(fù)雜路徑。通過基因工程和化學(xué)標(biāo)記技術(shù)，他在辦公室墻上呈現(xiàn)了這些“角色”的彩色畫像。

美國國立衛(wèi)生研究院觸覺神經(jīng)科學(xué)家亞歷山大·切斯勒，“大衛(wèi)·金蒂是觸覺之王。（ Alexander Chesler）這樣評價(jià)。

“看到他發(fā)表的文章目錄，你只能驚呼‘上帝’?！备窭垢绱髮W(xué)神經(jīng)解剖學(xué)家大衛(wèi)·休斯（David Hughes）他說：“他產(chǎn)量太高了，而且所有的論文都發(fā)表在頂級期刊上。

除了寫入教材的技術(shù)突破和科學(xué)發(fā)現(xiàn)，真正讓同事印象最深的是(金蒂)繪制的觸覺神經(jīng)塊的圖像。它們似乎來自深海世界，完全不像我們認(rèn)為的神經(jīng)元。這種奇形怪狀的細(xì)胞，正是因?yàn)橛|覺感覺如此豐富多樣的原因。——為什么手機(jī)的振動不同于微風(fēng)、愛人的輕拂、雨滴落在肩膀上或母愛的吻？意識到這些細(xì)胞在你的身體里到處分布——它們是你的一部分——令人驚嘆。

金蒂說：“每個(gè)神經(jīng)元都在講一個(gè)故事，”他們的結(jié)構(gòu)不同，反應(yīng)的刺激也不同，。這些都是‘結(jié)構(gòu)決定功能’的體現(xiàn)，這種精致就是它們的美麗。?！?/p>

-David Ginty-

觸感全景

幾個(gè)世紀(jì)以來，科學(xué)家和思想家對觸覺感興趣。亞里士多德認(rèn)為人類的觸覺能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他物種，這也是人類智商較高的原因之一。但是現(xiàn)在我們知道，從海獅、蜘蛛到星鼻鼴鼠的生物，我們可以感知到我們無法察覺的物理世界特征。即便如此，亞里士多德把觸覺當(dāng)作一種獨(dú)特的觀點(diǎn)也并非沒有道理。

身體感覺系統(tǒng)是所有感官中最復(fù)雜的，因此一些研究人員認(rèn)為觸覺是最難探索的感覺。比如視覺和聽覺，它們的感受器分別集中在視網(wǎng)膜和耳蝸上。——一種只有郵票大小，另一種只有豌豆大小。而且觸覺分布廣泛：傳遞觸覺信號的神經(jīng)元聚集在脊髓外的神經(jīng)節(jié)中，它們將長長的軸突纖維延伸到皮膚和人體內(nèi)臟，就像水母觸手一樣。每個(gè)軸突在皮膚表面下面形成一個(gè)末梢結(jié)構(gòu)，不同的末梢有不同的機(jī)制，用于接受和分析不同類型的觸覺刺激。。

我們的眼睛和耳朵分別處理光和聲音，而且觸感卻涉及到一個(gè)“感官拼盤”：戳、拉、吹、觸、振，以及各種溫度和化學(xué)刺激，如辣椒中的辣椒素或薄荷中的薄荷醇。這類輸入構(gòu)成了各種觸覺感知，如壓力、疼痛、瘙癢、柔軟與堅(jiān)硬、冷熱感，以及身體在空間中的定位感。

那么，這一切是如何實(shí)現(xiàn)的呢？19世紀(jì)的解剖學(xué)家提供了第一條線索。當(dāng)他們在顯微鏡下觀察尸體皮膚時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)組織中有一些奇怪的結(jié)構(gòu)。有的像薄餅一樣平坦，有的像蔥花，紡錘，或者是一團(tuán)線球。由于這些結(jié)構(gòu)與神經(jīng)有關(guān)，解剖學(xué)家推斷它們是觸覺感受器。

到20世紀(jì)，生理學(xué)家們對初期解剖學(xué)家的猜測進(jìn)行了驗(yàn)證。它們使用微小的電極，可以“竊聽”單個(gè)神經(jīng)元之間的電信號交流。然后，通過針頭或鉛筆橡皮等各種觸覺刺激，他們可以判斷神經(jīng)元對哪些刺激有反應(yīng)，以及它在人體的哪些部位檢測到這些刺激，這些刺激可以通過各種觸覺刺激來判斷。在臨床實(shí)驗(yàn)中，研究人員甚至可以將感覺區(qū)域的皮膚切開，觀察那里的結(jié)構(gòu)，并將神經(jīng)元與其軸突尾在皮膚中形成的結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)。

金蒂實(shí)驗(yàn)室利用基因工具和抗體染色技術(shù)繪制了觸覺神經(jīng)塊的閃光圖。從左上方的順時(shí)針分別是:帕奇尼體感應(yīng)路面振動；針狀外周圍的頭發(fā)用于檢測其偏移；梅克爾細(xì)胞(紅色)輕輕按壓毛軸(綠色)識別；克勞斯體可以感知觸摸的振動；三個(gè)帕奇尼體靠近骨骼；梅克爾細(xì)胞(藍(lán)色)。

神經(jīng)末梢的這些特性令人驚嘆。皮膚表面附近的扁平結(jié)構(gòu)稱為梅克爾細(xì)胞復(fù)合體（Merkel cell complex），可以感覺到輕微的壓凹。這些細(xì)胞大量分布在你的嘴唇和指尖上。，使你能感覺到物體的形狀和材質(zhì)。你的手指上還覆蓋著螺旋神經(jīng)末梢，這就是所謂的邁斯納小體（Meissner corpuscles），它們像球形包塊一樣纏繞在支撐細(xì)胞周圍。當(dāng)物體輕微滾動時(shí)，這些感受器可以檢測到極小的振動，例如摩擦。，幫你準(zhǔn)確使用工具。皮膚深處隱藏著洋蔥。帕奇尼小體（Pacinian corpuscles），它們可以檢測路面振動；還有梭形的魯菲尼末梢（Ruffini endings），負(fù)責(zé)傳遞皮膚被拉伸的信息。。

通過電極記錄，根據(jù)神經(jīng)纖維的大小、放電模式和傳導(dǎo)速度，這些生理學(xué)家識別了15種以上的觸覺神經(jīng)元類型。。然而，觸摸世界的全貌還沒有明確顯示:這些神經(jīng)元分布在哪里？在那里執(zhí)行什么任務(wù)？像梅克爾復(fù)合體這樣體積較大的神經(jīng)末梢很容易觀察(大小約為一粒鹽)，但大多數(shù)神經(jīng)末端在當(dāng)時(shí)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下太小，無法清晰區(qū)分。雖然研究人員可以用組織染色來跟蹤他們在皮膚中的方向，但他們無法區(qū)分它們之間的差異。

金蒂說：“那簡直是一片叢林?！?strong>在同一皮膚區(qū)域，可能有12到15種神經(jīng)元類型并存，但是你分不清誰是誰，因?yàn)樗麄冎皇且欢押芏嗟耐煌弧！盀榱私鉀Q這個(gè)疑問，技術(shù)和創(chuàng)造力的完美結(jié)合等了半個(gè)世紀(jì)。

毛發(fā)問題

金蒂今年剛剛60多歲，但你很難從和他的談話中看出他的年齡。當(dāng)談到控制皮膚的神經(jīng)元時(shí)，他充滿了孩子般的熱情，仿佛他們剛剛被發(fā)現(xiàn)——雖然事實(shí)上，自1995年在約翰·霍普金斯大學(xué)建立實(shí)驗(yàn)室以來，他幾乎每天都在思考這些神經(jīng)元。

他實(shí)際上很有趣，很放松，很隨和。"雷切爾·沃爾夫森（Rachel Wolfson）說。曾經(jīng)是金蒂的博士后研究員，現(xiàn)在也在哈佛醫(yī)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)自己的實(shí)驗(yàn)室。"他經(jīng)常邊工作邊吹哨子?！斑@并不意味著他心不在焉——相反，他把自己的好奇心和驚訝力集中在研究上，這使得他能夠牢牢把握核心問題。如果你問他一個(gè)難題，他總能想到最完美的實(shí)驗(yàn)來解決它。

當(dāng)金蒂決定加入觸覺神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域時(shí)，他首先想知道感覺神經(jīng)元是如何發(fā)育的。但他很快意識到，他不知道這些“不成熟”的神經(jīng)元最終會發(fā)展成什么樣子——它們在成熟動物體內(nèi)會形成什么樣的回路和終端結(jié)構(gòu)。為了找到答案，他需要一種方法來逐一可視化每種神經(jīng)元類型。

基因工程技術(shù)很快給了他解決問題的鑰匙。在神經(jīng)元發(fā)育的前十年，金蒂收集了一整套能夠識別不同觸覺神經(jīng)元類型的特異性基因。從2007年開始，他開始用基因改造老鼠來控制特定的觸覺神經(jīng)元。在這些新鼠品種中，研究人員可以通過各種方式控制某一類觸覺神經(jīng)元，例如使用化學(xué)標(biāo)簽使其發(fā)光，或者用盡所有手段激活或關(guān)閉其功能。

切斯勒說，這些研究的影響就像你只能聽一首交響樂，但現(xiàn)在你可以看到你演奏的每一件樂器，你可以自己演奏它們。每個(gè)小鼠品種就像是樂隊(duì)某一部分的聚光燈——弦樂、木管、銅管、打擊樂各自清晰可見。"你可以拿起小提琴，看看它是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的?！鼻兴估照f，“你也可以學(xué)習(xí)音樂，或者改造這個(gè)樂器，看看它會對音樂產(chǎn)生什么影響。”

金蒂在獲得這些新型小鼠品種后，首先研究的目的是擁有毛皮這個(gè)“地下世界”。相比之下，由于梅克爾復(fù)合體和邁斯納小斯納等眾所周知的觸感結(jié)構(gòu)密集分布，所以沒有毛皮皮膚的研究比較充分，身體。而且對于那些讓我們感覺到頭發(fā)彎曲或拉動時(shí)所依賴的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，人們知道的很少。

盡管我們通常感覺到皮膚是光滑的，事實(shí)上，除手掌、腳底、嘴唇、乳頭和一些生殖器官區(qū)域外，大多數(shù)身體都覆蓋著頭發(fā)。其中絨毛柔軟，顏色較淺，可以幫助汗液揮發(fā)和降溫；保護(hù)頭發(fā)比較粗，可以防止摩擦和抓撓造成的傷害。金蒂發(fā)現(xiàn)不同種類的頭發(fā)也是“觸覺傳感器”。

感受器是皮膚中的主要感受器。

他的團(tuán)隊(duì)利用老鼠品種和其他基因工程方法，給三種已知對觸摸敏感但外周結(jié)構(gòu)不清晰的感覺神經(jīng)元貼上了明亮的標(biāo)簽。在顯微鏡的幫助下，這些神經(jīng)元像彩燈一樣在老鼠有毛的背部皮膚中發(fā)出紅綠色的光，外周結(jié)構(gòu)清晰可見。研究者們觀察到了一種梳狀結(jié)構(gòu)，像皇冠一樣圍繞著毛囊。由于其尖端呈披針狀，他們將這種結(jié)構(gòu)命名為披針狀末梢。

令人吃驚的是，這三種神經(jīng)元都可以形成披針末梢，但是它們各自負(fù)責(zé)不同種類的毛發(fā)。。老鼠的毛發(fā)分為三類：保護(hù)毛發(fā)，以及類似于人絨毛的錐形毛發(fā)和鋸齒毛。金蒂團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，粗壯快速的神經(jīng)元會圍繞毛囊保護(hù)毛和鋸齒毛，使老鼠能夠快速識別接觸的位置和方法；而傳導(dǎo)速度慢的纖細(xì)神經(jīng)元靶向錐形毛和鋸齒毛。后來金蒂還發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)元形成了一個(gè)單側(cè)的冠狀結(jié)構(gòu)(就像箍冠一樣)，可以傳達(dá)毛發(fā)被特定方向劃傷或拉扯的信息。而且錐形毛和鋸齒毛也是感知細(xì)致、傳導(dǎo)緩慢神經(jīng)元的目標(biāo)。過去，人們認(rèn)為這些神經(jīng)元會引起瘙癢，但現(xiàn)在他們發(fā)現(xiàn)它們與愉快的觸覺感覺有關(guān)，所以有時(shí)被稱為“觸摸感受器”（caress sensors）。最近，金蒂實(shí)驗(yàn)室還發(fā)現(xiàn)，這種神經(jīng)元是狗在被水打濕時(shí)會抖動身體的原因。

在2011年，金蒂團(tuán)隊(duì)的研究成果首次揭示了頭發(fā)是如何帶來如此豐富的觸覺感受的。他說：“這是一個(gè)壯舉?！按靼材取ぐ偎顾又荽髮W(xué)伯克利分校的神經(jīng)科學(xué)家。（ Diana Bautista，沒有參與這項(xiàng)研究)評論道：“這一系統(tǒng)的復(fù)雜性令人震驚：不同種類的神經(jīng)元以優(yōu)雅有序的方式控制皮膚。但是那些神經(jīng)元圖像同樣令人驚嘆，就像第一次看到地球從太空拍攝一樣?！?/p>

美妙震動

金蒂繼續(xù)深入繪制皮膚觸覺傳感器的詳細(xì)地圖。在2015年的一項(xiàng)研究中(當(dāng)時(shí)他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)搬到了哈佛醫(yī)學(xué)院)，他發(fā)現(xiàn)了一種像套索一樣盤繞毛囊的新型快速傳導(dǎo)神經(jīng)元。20世紀(jì)60年代，第一次發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元的生理學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為它們是疼痛傳感器。但是金蒂發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上，這些神經(jīng)元也能感知到大規(guī)模皮膚(如手背)上的柔軟摩擦，所以它們被稱為環(huán)形外周。（circumferential endings）。他們善于探索緩慢而廣泛的觸摸動作，這種能力來自于180個(gè)“支系”，每個(gè)支系都有自己的毛囊。

近幾年，他也對性觸感進(jìn)行了深入探究。（sexual touch）神經(jīng)系統(tǒng)。除梅克爾細(xì)胞等結(jié)構(gòu)外，最初的解剖學(xué)家，在生殖器官中，我們?nèi)匀挥^察到一些球形結(jié)構(gòu)，形狀類似于手邁斯納體。這些被稱為克勞斯體的結(jié)構(gòu)也存在于嘴唇、乳頭、肛門，甚至眼球和手關(guān)節(jié)。?？茖W(xué)家們長期懷疑它們與性有關(guān)，但是它們的功能還不清楚，有些人甚至猜測它們是溫度感受器。

金蒂及其合作伙伴在2024年6月發(fā)表的一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，克勞斯小體是由軸突尾端組成的兩種快速傳導(dǎo)神經(jīng)元。。研究人員證實(shí)，通過激活或去除小鼠中的這些神經(jīng)元，它們可以誘發(fā)性喚起。和邁斯納小體一樣，克勞斯小體對振動高度敏感。金蒂解釋說:“你可能會說，‘為什么是振動？’當(dāng)皮膚摩擦皮膚時(shí)，會產(chǎn)生輕微的振動。這些體非常擅長捕捉這種振動?！笨藙谒贵w對40到80HZ的頻率最敏感。這種情況正好是常見的振動成人玩具工作頻率。

然而，金蒂最喜歡的觸覺神經(jīng)元是帕奇尼神經(jīng)元，它形成了一個(gè)洋蔥狀的體。在人類和靈長類動物中，這些體位于無毛皮膚和有毛皮膚的深層，特別集中在關(guān)節(jié)周圍(在老鼠中，它們大多分布在手腕、腳踝和腳趾周圍)。就像邁斯納和克勞斯體一樣，帕奇尼小體對振動也很敏感，但是它們的靈敏度要高得多-可以達(dá)到1000HZ。。金蒂回憶起最初的問題:“在這樣的工作頻段里，什么樣的物品在振動？火車的轟鳴聲？大提琴的回聲？還是暴雨的敲打？”他知道大象的腳和鼻子可以感知幾公里外其他大象的步伐和叫聲，帕奇尼體密布在這個(gè)部位。他開始懷疑，或許這些小體就是“地震感受器”。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，金蒂團(tuán)隊(duì)記錄了帕奇尼神經(jīng)元在清醒小鼠中的電信號。當(dāng)研究人員在老鼠旁邊重重地敲打地面時(shí)，這些神經(jīng)元被激活了；如果他們在幾米外敲地，神經(jīng)元仍然會放電；即使是用手輕輕敲地，也能讓他們做出反應(yīng)。

更令人驚訝的是，當(dāng)研究人員跟蹤這些神經(jīng)元的信號傳遞到大腦的路徑時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)他們并沒有像普通的觸覺信號一樣走常規(guī)路線——也就是說，他們通過腦干傳遞到丘腦，然后到達(dá)身體感覺的皮層。相反，正如他的團(tuán)隊(duì)在2024年報(bào)道的那樣，大多數(shù)帕奇尼神經(jīng)元的信號都進(jìn)入了大腦區(qū)域——下丘腦。。

金蒂將帕奇尼小體描述為“分布在全身的小型人工耳蝸”。他的團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)，一旦激活了這些小體，大腦對聲音的反應(yīng)就會增加。"機(jī)械振動會使聽覺線索更加明顯."這可能解釋了為什麼我們在聽歌的時(shí)候，常常不僅會在心里“感受”音樂，還會產(chǎn)生強(qiáng)烈的身體共鳴。。

萬千壯麗

近五年來，金蒂和其他科學(xué)家對數(shù)以千計(jì)的單個(gè)觸覺神經(jīng)元進(jìn)行了遺傳分析。按照這些神經(jīng)元表達(dá)基因進(jìn)行分類，目前，金蒂團(tuán)隊(duì)已經(jīng)識別出18種不同類型。，也許還有更多——由于目前細(xì)胞篩分技術(shù)的分辨率有限，準(zhǔn)確的數(shù)量仍然難以確定。這些類型包括他研究的六七種“輕觸”神經(jīng)元，以及六種反應(yīng)強(qiáng)烈、機(jī)械刺激強(qiáng)的神經(jīng)元(其中一些還反應(yīng)溫度或化學(xué)刺激)、一種特殊的感知灼痛神經(jīng)元，一種感知寒冷的神經(jīng)元，三種或三種以上感知身體位置的神經(jīng)元，以及一些目前功能尚不清楚的類型。

當(dāng)更多的觸覺神經(jīng)元被分析時(shí)，數(shù)字可能會繼續(xù)增加。而且，即使軸突尾端結(jié)構(gòu)不同，這些神經(jīng)元也能進(jìn)一步細(xì)分。例如，一種可以在無毛皮膚中形成邁斯納小體和感應(yīng)振動的神經(jīng)元，也可以在有毛皮膚中形成針狀末梢，用于檢測毛發(fā)的移動。。金蒂隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，在2023年的一項(xiàng)研究中，這種神經(jīng)元甚至支配結(jié)腸，它的軸突在腸道中支系，盤繞運(yùn)動神經(jīng)元，使我們能感知腸道擴(kuò)張。因此，他得出結(jié)論，如果同時(shí)考慮基因和形態(tài)的差異，“也可以說實(shí)際上有五六十種不同的觸覺神經(jīng)元類型。我們不知道究竟還有多少需要探索。。”

金蒂將繼續(xù)探索它們?，F(xiàn)在，他仍然在思考十幾年前就開始提問的基本問題：這種觸覺神經(jīng)元各自通向哪里？它們的末梢結(jié)構(gòu)是怎樣的？它們?nèi)绾尾蹲轿锢硎澜绲亩鄻有裕?/strong>“我們現(xiàn)在對皮膚中的‘誰是誰’及其反應(yīng)特征有了相當(dāng)清晰的認(rèn)識?！苯鸬僬f。但是心、肺、喉、食管、胃、腸、腎呢？是什么神經(jīng)元讓肌肉感到酸痛和疲勞，引起偏頭痛，還是讓母親的乳房在寶寶被允許的時(shí)候分泌乳汁？

金蒂也想知道，如何將這些神經(jīng)元連接到大腦并產(chǎn)生感知？。數(shù)百萬神經(jīng)末梢感受到的壓力和振動是如何變成對“擁抱”的感知的？我們?nèi)绾胃兄睗?、油膩和彈性？“想象一下你在擠壓一個(gè)氣球，”他說?！帮@然，不會只有一種感覺，神經(jīng)元可以獨(dú)立編碼“擠壓感”?！?/p>

這項(xiàng)研究不僅改變了我們對單一觸覺感受器的認(rèn)識，而且顛覆了我們對如何傳遞信息的理解。直到最近，經(jīng)典理論感覺觸感信號就像打電話一樣，沿著固定的線路一路傳遞到大腦的身體感覺皮層，這個(gè)大腦區(qū)域處理各種感覺信息。所以，所有觸感世界的高級特征都被認(rèn)為是皮層的‘出現(xiàn)特征’。但是，他和其他研究人員的成果促進(jìn)了這一理論的范式轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在很明顯，在進(jìn)入大腦認(rèn)知區(qū)之前，大量的觸感信息已經(jīng)在脊髓和腦干處理過了。，換言之，觸感信息神經(jīng)生物處理過程比我們過去所想的要早。

假如你問金蒂這些內(nèi)容到底有什么實(shí)際用途，他會列出常見的應(yīng)用方向：更好的止痛藥，改善感覺障礙的治療方法，如自閉癥，更逼真的仿生義肢。但真正驅(qū)使他前進(jìn)的是更抽象的動力:敬畏。他的研究讓他對這種我們習(xí)慣的感覺有了更深的感受——觸感是如此細(xì)致多維，至今仍經(jīng)常帶來驚喜。

不久前，他去聽波士頓交響樂團(tuán)的演出。他說：“我把手指放在椅子上，閉上眼睛，靜靜地感受音樂。

原文：

https://www.quantamagazine.org/touch-our-most-complex-sense-is-a-landscape-of-cellular-sensors-20250416/

本文來自微信微信官方賬號“神經(jīng)現(xiàn)實(shí)”（ID：neureality），作者：Ariel Bleicher，譯者：EY，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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