觸覺刺激對大腦影響機制的研究進展

張娟，王艷國

觸覺是一種受多因素綜合影響的刺激，通過刺激位點啟動激活模式，激活一系列機械感受器和神經通路[1]。刺激產生的信號可以通過兩種傳入纖維(厚的有髓鞘的Aβ纖維和薄的無髓鞘的C觸覺纖維[2])中的其中一種傳入到脊髓，再傳到大腦皮層形成觸覺信息。觸覺不僅能傳達刺激物的特征(感覺辨別維度，原則上可能是與刺激物的可量化的物理方面相關聯(lián)的屬性，例如感知材料的粗糙度、軟硬度、黏性和溫度等)[3-4]，而且可以傳達愉悅感[5]，具有社交屬性[6-7](情感動力學維度)，觸覺的社交屬性的主要傳入神經為CT纖維，負責觸覺愉悅度的辨別[8-10]。

觸覺的大腦機制比較復雜，功能磁共振成像技術可以實現(xiàn)對大腦皮層的三維圖像重建，根據(jù)刺激前后大腦皮層每個區(qū)域血氧水平的差值，通過計算機設定激活的閾值，對圖像進行偽彩色標注，從而可以觀察不同的體表觸覺刺激部位與對應大腦皮層區(qū)域之間的聯(lián)系。本文主要介紹觸覺刺激激活不同腦區(qū)的功能磁共振研究，由于影響激活腦區(qū)的因素比較復雜，有刺激部位、刺激方式、刺激頻率、刺激力度、刺激速度、年齡等，較為分散，所以本文主要從刺激部位、刺激物的狀態(tài)和年齡3個主要方面論述，其他的因素則包含在這3個方面中進行討論。

1 刺激部位

關于刺激部位的選擇，就目前研究來看，越靠近遠端，刺激時選擇的面積越小，如刺激面部或手指時，以點為主，刺激手掌、手背和足底時，以稍大的面為主，而刺激前臂或下肢時，以線狀區(qū)域為主，而關于更大面積的軀干部，則研究較少。越接近遠端尤其是對手指的觸覺刺激，大腦的激活機制越復雜。

1.1 手腳部位

Luigi Tamè等[11]對健康成年人使用連續(xù)的振動刺激同側或者雙側手的中指或食指指尖，結果發(fā)現(xiàn)刺激兩個手指時激活的主要腦區(qū)為雙側初級體感皮層(S1)和次級體感皮層(S2)，具體來說，S1激活區(qū)域雙側不完全對稱，左側激活區(qū)域靠后。其他腦區(qū)有右側額下回、右側前扣帶皮層、雙側丘腦、雙側后頂葉皮層、雙側角回、雙側緣上回、雙側頂下小葉。值得注意的是，在第2次刺激同源手指(先刺激左手食指或右手食指，接下來刺激左手食指)或不同源手指(先刺激左手或右手中指，再刺激左手食指)時均有適應現(xiàn)象發(fā)生，同源手指較非同源手指適應效應更明顯，S1適應性在左側不顯著，右側顯著；S2激活區(qū)域其適應性兩側一致。適應性只跟前后刺激的手指是否同源有關，而與同一只手還是對側手沒有關系，說明大腦處理觸覺刺激是兩側結合的。

Hlushchuk等[12]用由壓縮空氣驅動的氣球隔膜對健康成年志愿者的不同手指指尖進行觸覺刺激，結果顯示對側的S1區(qū)和雙側半球的頂島蓋(S2區(qū)域)均有明顯的激活。在同側S1，中央后回的后壁，在布羅德曼區(qū)(brodmann area，BA)2中能看到另外的小激活簇，在長期持續(xù)的刺激下，同側和對側S1均可表現(xiàn)出失激活狀態(tài)，而且同側和對側的初級運動皮層(M1)也表現(xiàn)出失激活狀態(tài)。

Schweizer等[13]對6名受試者通過壓電裝置順序刺激右手的5個指腹，結果顯示，激活的腦區(qū)為中央溝后壁的BA3b區(qū)域內。除了3名受試者表現(xiàn)出完整連續(xù)的激活位點外，其他的受試者中有2人小指未出現(xiàn)激活位點，有1人僅表現(xiàn)出拇指和食指的激活，刺激各手指激活的腦區(qū)有部分重疊性。腦區(qū)的激活與手指解剖位置相對應的順序具有個體差異性，除了1人激活腦區(qū)的連線比較平滑外，其他人激活腦區(qū)的連線均具有明顯的折角，其中有1人出現(xiàn)中指和無名指激活位置的倒置現(xiàn)象。關于倒置的解釋，更早的研究就有過類似的結果，Baumgartner等[14]通過腦磁圖結合腦電圖，用環(huán)電極刺激5個手指，研究發(fā)現(xiàn)有些相鄰手指的位置有折疊或者倒置，因為其空間分辨率較低，所以將其解釋為偽影。Kurth等[15]用環(huán)電極刺激5個手指，結果發(fā)現(xiàn)有1名受試者的食指激活點位于小指的側面靠下方，作者將其解釋為個體變異。

Schweisfurth等[16]用震動刺激雙側食指和小指的指尖和基底部，結果發(fā)現(xiàn)刺激兩個手指激活的腦區(qū)在預期范圍S1的BA3b內，小指的基底部的投影位于指尖內側中間上方，而食指的基底部和指尖激活沒有明確的相對關系，與解剖結構不一致。

在對手指進行觸覺刺激時，激活的腦區(qū)具有一定的個體差異性，而且不管是刺激不同手指還是刺激同一手指的不同部位，激活腦區(qū)的位置都有與解剖結構不相對應的情況出現(xiàn)，至于不對應的情況與哪些因素相關，目前還少有對這方面原因解釋的文章。

Gordon等[17]用水彩刷對成年人的右手手掌進行觸覺刺激，結果發(fā)現(xiàn)激活的腦區(qū)為左中后腦島、右顳連接和體感皮層。Olausson等[18]用軟毛刷對右手手掌進行觸覺刺激，結果發(fā)現(xiàn)激活的腦區(qū)為左側S1、雙側S2、對側島頁皮層、額葉區(qū)域。

Case等[19]用羊毛刷對26名成年人的手掌和手背進行手動刺激，激活的腦區(qū)為右側S1、右側S2、前后腦島、丘腦、小腦。刷手背時緩慢刺激(3 cm/s)與快速刺激(30 cm/s)相比，其在前扣帶皮層的激活有顯著差異，在感覺和運動皮層有輕微差異，S1區(qū)的激活與觸覺強度相關，前扣帶皮層激活與愉悅度相關，與一篇薈萃分析[20]的結果一致。而不同速度的刺激作用于手掌時，激活的腦區(qū)無明顯變化。

手部感覺比較靈敏，尤其是指腹部，分布著豐富的觸覺感受器，對手的觸覺刺激主要激活S1區(qū)域，但激活單側還是雙側，前面幾個研究得出了不同的結果，原因究竟是由于刺激手的位置不同還是其他混雜因素例如刺激方式的差異，關于這一點還有待更進一步更精細的研究。還有些研究觀察到激活M1[13]，究竟是屬于個體變異還是因為樣本量太少導致的，以后有待設計大樣本研究。

足與手同處于四肢末端，激活的腦區(qū)與刺激手部有一定的相似之處，如S2、腦島部位的激活等。Golaszewski等[21]用電動振動儀刺激健康成年男性的右腳內側足弓，激活的主要腦區(qū)為雙側S2、頂下小葉(對側BA39、雙側BA40和BA43)、頂上小葉(楔前葉、雙側BA5和BA7，以左側為主)、左腦島后側(BA13)，其他激活的腦區(qū)為雙側丘腦(丘腦枕、外側背核、外側后核、中線核、腹后外側核、腹后內側核、腹側核)、雙側尾狀核、小腦、初級感覺運動皮層[包括前后端腦(SM1、BA1、BA2、BA3a、BA3b、BA4)和豆狀核]。

1.2 四肢其他部位

與刺激手部的結果類似，刺激四肢其他部位的研究結果同樣存在激活單側或雙側S1的區(qū)別。Gordon等[17]用軟毛刷對成年人右前臂進行觸覺刺激，研究結果發(fā)現(xiàn)刺激時激活的腦區(qū)為體感皮層、左中后腦島、右顳連接、顳上溝后部、前額葉皮層內側和前扣帶回背側。Olausson等[18]用軟毛刷對健康成年人的右前臂進行觸覺刺激，結果發(fā)現(xiàn)激活腦區(qū)為對側S1、雙側S2、對側島頁皮層。Bj?rnsdotter等[22]用軟毛刷刺激健康成年人和一名喪失Aβ纖維的患者的右前臂右大腿，結果顯示軟毛刷刺激在對健康成年人和患者都激活了雙側S1、雙側S2，刺激前臂時激活S1的位于刺激大腿時激活區(qū)域的側下方，而雙側S2激活區(qū)域沒有差異。

1.3 面部

Moulton等[23]用尼龍扣帶軟面選擇刺激面部的5個點，共激活雙側中央后回、運動皮層、前運動皮層、腹側突內區(qū)、頂島蓋，結果顯示面部皮膚的神經支配符合以鼻為原點的洋蔥皮分布(刷子在不同的刺激部位可以引發(fā)相同的激活模式)。

關于體表部位觸覺刺激研究，目前大部分主要集中在手指、手掌、上肢前臂、下肢前側、腳底等，在試驗中由于無統(tǒng)一標準，使得橫向對比困難，如果相應研究人員在今后的研究中能統(tǒng)一標準，如激活腦區(qū)的標準、刺激力度、刺激量統(tǒng)一等，則使得各研究間相互比較具有一定的可能性。在刺激面部時激活的區(qū)域符合洋蔥分布，對其他部位的對稱刺激研究較少。有研究[22]在刺激同側上肢和下肢時激活的腦區(qū)具有很大的相似性，除了面部，身體其他部位是否也存在以某個部位為原點的對觸覺刺激的對稱分布，關于此方面的研究可以作為一個思路。

2 刺激物的狀態(tài)

除了刺激部位不同，刺激物也有粗糙度、軟硬度、黏度等的區(qū)別，直接用手接觸受試者，與物體相比，也具有不同的感受，在對受試者刺激的過程中會產生愉悅或者痛苦的情感反應，與此相對應，激活腦區(qū)也有一定的差異。Wang等[24]通過研究健康成年人觸摸不同的織物表面，并區(qū)分其宏觀物理特性(柔韌性)和微觀物理特性(粗糙度)，結果顯示識別織物宏觀物理特性的功能區(qū)域在S1，識別織物微觀物理特性的功能區(qū)在S2的次級區(qū)域頂島蓋。此外，運動皮層的激活表示其也許也參與了識別。

Hua等[25]用不同的刺激物如天鵝絨、絲綢、棉花、滌綸、軟塑料網(wǎng)和硬塑料網(wǎng)等，對健康成年人的小腿前側面進行刺激，事先通過量表根據(jù)志愿者的感覺評估確定愉快刺激、中性刺激和不愉快刺激，結果顯示3種條件下共同激活的腦區(qū)包括對側S1、雙側S2以及對側中腦島和后腦島皮層在內的多個腦區(qū)。此外，愉快和不愉快的觸摸條件均激活對側后頂葉皮層和雙側前運動皮層的幾個腦區(qū)域，愉快觸摸特異性激活的大腦區(qū)域包括雙側外側眶額皮質、后扣帶皮層、內側前額葉皮質、頂葉皮質和左側背外側前額葉皮層等。不愉快刺激還特別激活了一系列與疼痛相關的大腦區(qū)域，包括對側輔助運動區(qū)和雙側前扣帶皮層的背側部分等。與不同感覺的觸摸有關的大腦區(qū)域在靜息狀態(tài)下具有顯著的功能連接，此外，這種連接網(wǎng)可以在不同感覺的刺激條件之間進行調節(jié)。

Williams等[26]用毛刷、軟毛和硬筆頭刺激嬰兒的腳底從腳趾到腳后跟4～6 cm的范圍，結果發(fā)現(xiàn)毛刷刺激激活雙側S1、楔前葉、內側額極和腦島，軟毛點刺激活雙側楔前葉、腹外側前額葉皮層、輔助運動區(qū)、次級扣帶皮層、背內側前額葉皮質，用硬筆頭點刺腳底激活雙側額葉、楔前葉、輔助運動區(qū)域。

Sliz等[27]用3種不同的按摩方式按摩健康成年人的右腳腳底，第1種是瑞典按摩法(用揉捏法、輕撫法、縱向和橫向的搓揉按摩法，以放松為主)；第2種是經典的足療法(用手指勾住腳，食指和拇指向后移動，以刺激腳上的反射區(qū)為主)；第3種是用木頭按摩法，并設置沒有任何按摩的空白對照組。為了避免參加者注意力不集中，在按摩的同時進行一個識別“X”與“非X”的非認知能力的任務，結果表明前扣帶皮層膝部在靜息態(tài)時活躍(4組均有，以瑞典按摩組最大)，在認知任務時被抑制。瑞典按摩使前扣帶皮層膝部和后扣帶皮層只在任務態(tài)時激活，足療法使后扣帶皮層在靜息態(tài)時被激活，用木頭按摩時后扣帶皮層在任務態(tài)被激活，說明按摩方式不同，激活的腦區(qū)也不同。

Yeon等[4]模擬蜥蜴和壁虎爬行墊，通過用聚二甲基硅氧烷加入快速催化劑的比例改變黏度(催化劑比例越大，黏度越小)制成圓形的觸摸墊，志愿者用右手食指觸摸圓形墊，用丙烯酸樹脂材料做成方形墊作為空白對照，結果發(fā)現(xiàn)，志愿者感覺有黏度的催化劑比例閾值是7.47%(比例小于7.47%稱為閾值上，大于7.47%稱為閾值下)。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，閾值上組激活的腦區(qū)為對側中央后回(BA1-BA3、S1)、額中回(BA9、背外側前額葉皮層)，線性關系分析發(fā)現(xiàn)，黏度與激活腦區(qū)無顯著線性關系；閾值下組與對照組相比無明顯的激活；閾值上組與閾值下組相比，激活的腦區(qū)為對側基底節(jié)區(qū)域(蒼白球、殼核、尾狀核)、同側基底節(jié)區(qū)域(尾狀核、丘腦區(qū)域)、腦島、顳中回、顳上回。通過線性關系分析發(fā)現(xiàn)，除了同側尾狀核、顳中回，其他6個區(qū)域血氧水平依賴響應強度與黏度呈正相關關系。

3 年齡

小兒從出生后，大腦處于不斷的發(fā)育中，到某一個年齡段大腦功能基本趨于穩(wěn)定。Bj?rnsdotter等[28]通過刺激兒童、青少年、成人3個年齡段的志愿者的右前臂和右手掌，結果發(fā)現(xiàn)成人組刺激右前臂和刺激右手掌激活的腦區(qū)相同，為對側S1、雙側S2、對側島頁皮層、前額葉皮層、后顳上溝；青少年組和兒童組刺激右前臂激活的腦區(qū)為對側S2、對側島頁皮層，刺激右手掌激活的腦區(qū)為對側S2。

Kida等[29]分別用木頭和用棉花包裹的天鵝絨包裝的木頭對嬰兒的手掌進行刺激，產生中性觸覺和愉快的情感觸覺，結果發(fā)現(xiàn)年齡和刺激物對于氧合血紅蛋白的濃度有顯著的相互作用。10個月齡的嬰兒，與木頭相比，通過與天鵝絨接觸顯示前額葉皮層的雙側活化增加，而3個月和6個月大的嬰兒沒有此效應。天鵝絨和木頭(天鵝絨減去木頭)之間的羥基血紅蛋白濃度差異顯示，與3個月和6個月大的嬰兒相比，10個月大的嬰兒雙側大腦半球產生的激活增加， 因此，氧合血紅蛋白濃度的發(fā)展變化的臨界點在6～10個月。關于觸覺刺激對不同年齡的受試者激活不同腦區(qū)的研究，雖然能大致確定不同年齡段的大腦機制不同，但是還沒有細化到具體哪個年齡段發(fā)生變化。

綜上所述，本研究從3個方面討論了觸覺刺激與相應腦區(qū)的關系，由于檢測觸覺激活腦區(qū)的方式是對刺激前后的大腦皮層區(qū)域的血氧水平進行對比，對前后差值超過一定值的腦區(qū)定義為激活或抑制區(qū)域，但由于大腦結構和功能的復雜性，目前對血氧水平的差值缺乏一個統(tǒng)一的規(guī)定，在激活腦區(qū)的標準上缺乏一致性。

觸覺激活腦區(qū)作為大腦的基礎研究，只是大腦功能的一部分，在這種功能腦區(qū)重建的過程中，大腦的觸覺機制會不斷地被發(fā)掘出來，處理觸覺刺激的大腦機制目前一直在探索中，但是不同研究得出的結論并不一致。除了刺激物的控制，還有操作對象的差異、刺激速度、刺激模式等各方面的綜合因素，如何消除各種其他混雜因素的影響，是今后研究的重點。