触觉刺激对大脑影响机制的研究进展

张娟，王艳国

触觉是一种受多因素综合影响的刺激，通过刺激位点启动激活模式，激活一系列机械感受器和神经通路[1]。刺激产生的信号可以通过两种传入纤维(厚的有髓鞘的Aβ纤维和薄的无髓鞘的C触觉纤维[2])中的其中一种传入到脊髓，再传到大脑皮层形成触觉信息。触觉不仅能传达刺激物的特征(感觉辨别维度，原则上可能是与刺激物的可量化的物理方面相关联的属性，例如感知材料的粗糙度、软硬度、黏性和温度等)[3-4]，而且可以传达愉悦感[5]，具有社交属性[6-7](情感动力学维度)，触觉的社交属性的主要传入神经为CT纤维，负责触觉愉悦度的辨别[8-10]。

触觉的大脑机制比较复杂，功能磁共振成像技术可以实现对大脑皮层的三维图像重建，根据刺激前后大脑皮层每个区域血氧水平的差值，通过计算机设定激活的阈值，对图像进行伪彩色标注，从而可以观察不同的体表触觉刺激部位与对应大脑皮层区域之间的联系。本文主要介绍触觉刺激激活不同脑区的功能磁共振研究，由于影响激活脑区的因素比较复杂，有刺激部位、刺激方式、刺激频率、刺激力度、刺激速度、年龄等，较为分散，所以本文主要从刺激部位、刺激物的状态和年龄3个主要方面论述，其他的因素则包含在这3个方面中进行讨论。

1 刺激部位

关于刺激部位的选择，就目前研究来看，越靠近远端，刺激时选择的面积越小，如刺激面部或手指时，以点为主，刺激手掌、手背和足底时，以稍大的面为主，而刺激前臂或下肢时，以线状区域为主，而关于更大面积的躯干部，则研究较少。越接近远端尤其是对手指的触觉刺激，大脑的激活机制越复杂。

1.1 手脚部位

Luigi Tamè等[11]对健康成年人使用连续的振动刺激同侧或者双侧手的中指或食指指尖，结果发现刺激两个手指时激活的主要脑区为双侧初级体感皮层(S1)和次级体感皮层(S2)，具体来说，S1激活区域双侧不完全对称，左侧激活区域靠后。其他脑区有右侧额下回、右侧前扣带皮层、双侧丘脑、双侧后顶叶皮层、双侧角回、双侧缘上回、双侧顶下小叶。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，接下来刺激左手食指)或不同源手指(先刺激左手或右手中指，再刺激左手食指)时均有适应现象发生，同源手指较非同源手指适应效应更明显，S1适应性在左侧不显著，右侧显著；S2激活区域其适应性两侧一致。适应性只跟前后刺激的手指是否同源有关，而与同一只手还是对侧手没有关系，说明大脑处理触觉刺激是两侧结合的。

Hlushchuk等[12]用由压缩空气驱动的气球隔膜对健康成年志愿者的不同手指指尖进行触觉刺激，结果显示对侧的S1区和双侧半球的顶岛盖(S2区域)均有明显的激活。在同侧S1，中央后回的后壁，在布罗德曼区(brodmann area，BA)2中能看到另外的小激活簇，在长期持续的刺激下，同侧和对侧S1均可表现出失激活状态，而且同侧和对侧的初级运动皮层(M1)也表现出失激活状态。

Schweizer等[13]对6名受试者通过压电装置顺序刺激右手的5个指腹，结果显示，激活的脑区为中央沟后壁的BA3b区域内。除了3名受试者表现出完整连续的激活位点外，其他的受试者中有2人小指未出现激活位点，有1人仅表现出拇指和食指的激活，刺激各手指激活的脑区有部分重叠性。脑区的激活与手指解剖位置相对应的顺序具有个体差异性，除了1人激活脑区的连线比较平滑外，其他人激活脑区的连线均具有明显的折角，其中有1人出现中指和无名指激活位置的倒置现象。关于倒置的解释，更早的研究就有过类似的结果，Baumgartner等[14]通过脑磁图结合脑电图，用环电极刺激5个手指，研究发现有些相邻手指的位置有折叠或者倒置，因为其空间分辨率较低，所以将其解释为伪影。Kurth等[15]用环电极刺激5个手指，结果发现有1名受试者的食指激活点位于小指的侧面靠下方，作者将其解释为个体变异。

Schweisfurth等[16]用震动刺激双侧食指和小指的指尖和基底部，结果发现刺激两个手指激活的脑区在预期范围S1的BA3b内，小指的基底部的投影位于指尖内侧中间上方，而食指的基底部和指尖激活没有明确的相对关系，与解剖结构不一致。

在对手指进行触觉刺激时，激活的脑区具有一定的个体差异性，而且不管是刺激不同手指还是刺激同一手指的不同部位，激活脑区的位置都有与解剖结构不相对应的情况出现，至于不对应的情况与哪些因素相关，目前还少有对这方面原因解释的文章。

Gordon等[17]用水彩刷对成年人的右手手掌进行触觉刺激，结果发现激活的脑区为左中后脑岛、右颞连接和体感皮层。Olausson等[18]用软毛刷对右手手掌进行触觉刺激，结果发现激活的脑区为左侧S1、双侧S2、对侧岛页皮层、额叶区域。

Case等[19]用羊毛刷对26名成年人的手掌和手背进行手动刺激，激活的脑区为右侧S1、右侧S2、前后脑岛、丘脑、小脑。刷手背时缓慢刺激(3 cm/s)与快速刺激(30 cm/s)相比，其在前扣带皮层的激活有显著差异，在感觉和运动皮层有轻微差异，S1区的激活与触觉强度相关，前扣带皮层激活与愉悦度相关，与一篇荟萃分析[20]的结果一致。而不同速度的刺激作用于手掌时，激活的脑区无明显变化。

手部感觉比较灵敏，尤其是指腹部，分布着丰富的触觉感受器，对手的触觉刺激主要激活S1区域，但激活单侧还是双侧，前面几个研究得出了不同的结果，原因究竟是由于刺激手的位置不同还是其他混杂因素例如刺激方式的差异，关于这一点还有待更进一步更精细的研究。还有些研究观察到激活M1[13]，究竟是属于个体变异还是因为样本量太少导致的，以后有待设计大样本研究。

足与手同处于四肢末端，激活的脑区与刺激手部有一定的相似之处，如S2、脑岛部位的激活等。Golaszewski等[21]用电动振动仪刺激健康成年男性的右脚内侧足弓，激活的主要脑区为双侧S2、顶下小叶(对侧BA39、双侧BA40和BA43)、顶上小叶(楔前叶、双侧BA5和BA7，以左侧为主)、左脑岛后侧(BA13)，其他激活的脑区为双侧丘脑(丘脑枕、外侧背核、外侧后核、中线核、腹后外侧核、腹后内侧核、腹侧核)、双侧尾状核、小脑、初级感觉运动皮层[包括前后端脑(SM1、BA1、BA2、BA3a、BA3b、BA4)和豆状核]。

1.2 四肢其他部位

与刺激手部的结果类似，刺激四肢其他部位的研究结果同样存在激活单侧或双侧S1的区别。Gordon等[17]用软毛刷对成年人右前臂进行触觉刺激，研究结果发现刺激时激活的脑区为体感皮层、左中后脑岛、右颞连接、颞上沟后部、前额叶皮层内侧和前扣带回背侧。Olausson等[18]用软毛刷对健康成年人的右前臂进行触觉刺激，结果发现激活脑区为对侧S1、双侧S2、对侧岛页皮层。Björnsdotter等[22]用软毛刷刺激健康成年人和一名丧失Aβ纤维的患者的右前臂右大腿，结果显示软毛刷刺激在对健康成年人和患者都激活了双侧S1、双侧S2，刺激前臂时激活S1的位于刺激大腿时激活区域的侧下方，而双侧S2激活区域没有差异。

1.3 面部

Moulton等[23]用尼龙扣带软面选择刺激面部的5个点，共激活双侧中央后回、运动皮层、前运动皮层、腹侧突内区、顶岛盖，结果显示面部皮肤的神经支配符合以鼻为原点的洋葱皮分布(刷子在不同的刺激部位可以引发相同的激活模式)。

关于体表部位触觉刺激研究，目前大部分主要集中在手指、手掌、上肢前臂、下肢前侧、脚底等，在试验中由于无统一标准，使得横向对比困难，如果相应研究人员在今后的研究中能统一标准，如激活脑区的标准、刺激力度、刺激量统一等，则使得各研究间相互比较具有一定的可能性。在刺激面部时激活的区域符合洋葱分布，对其他部位的对称刺激研究较少。有研究[22]在刺激同侧上肢和下肢时激活的脑区具有很大的相似性，除了面部，身体其他部位是否也存在以某个部位为原点的对触觉刺激的对称分布，关于此方面的研究可以作为一个思路。

2 刺激物的状态

除了刺激部位不同，刺激物也有粗糙度、软硬度、黏度等的区别，直接用手接触受试者，与物体相比，也具有不同的感受，在对受试者刺激的过程中会产生愉悦或者痛苦的情感反应，与此相对应，激活脑区也有一定的差异。Wang等[24]通过研究健康成年人触摸不同的织物表面，并区分其宏观物理特性(柔韧性)和微观物理特性(粗糙度)，结果显示识别织物宏观物理特性的功能区域在S1，识别织物微观物理特性的功能区在S2的次级区域顶岛盖。此外，运动皮层的激活表示其也许也参与了识别。

Hua等[25]用不同的刺激物如天鹅绒、丝绸、棉花、涤纶、软塑料网和硬塑料网等，对健康成年人的小腿前侧面进行刺激，事先通过量表根据志愿者的感觉评估确定愉快刺激、中性刺激和不愉快刺激，结果显示3种条件下共同激活的脑区包括对侧S1、双侧S2以及对侧中脑岛和后脑岛皮层在内的多个脑区。此外，愉快和不愉快的触摸条件均激活对侧后顶叶皮层和双侧前运动皮层的几个脑区域，愉快触摸特异性激活的大脑区域包括双侧外侧眶额皮质、后扣带皮层、内侧前额叶皮质、顶叶皮质和左侧背外侧前额叶皮层等。不愉快刺激还特别激活了一系列与疼痛相关的大脑区域，包括对侧辅助运动区和双侧前扣带皮层的背侧部分等。与不同感觉的触摸有关的大脑区域在静息状态下具有显著的功能连接，此外，这种连接网可以在不同感觉的刺激条件之间进行调节。

Williams等[26]用毛刷、软毛和硬笔头刺激婴儿的脚底从脚趾到脚后跟4～6 cm的范围，结果发现毛刷刺激激活双侧S1、楔前叶、内侧额极和脑岛，软毛点刺激活双侧楔前叶、腹外侧前额叶皮层、辅助运动区、次级扣带皮层、背内侧前额叶皮质，用硬笔头点刺脚底激活双侧额叶、楔前叶、辅助运动区域。

Sliz等[27]用3种不同的按摩方式按摩健康成年人的右脚脚底，第1种是瑞典按摩法(用揉捏法、轻抚法、纵向和横向的搓揉按摩法，以放松为主)；第2种是经典的足疗法(用手指勾住脚，食指和拇指向后移动，以刺激脚上的反射区为主)；第3种是用木头按摩法，并设置没有任何按摩的空白对照组。为了避免参加者注意力不集中，在按摩的同时进行一个识别“X”与“非X”的非认知能力的任务，结果表明前扣带皮层膝部在静息态时活跃(4组均有，以瑞典按摩组最大)，在认知任务时被抑制。瑞典按摩使前扣带皮层膝部和后扣带皮层只在任务态时激活，足疗法使后扣带皮层在静息态时被激活，用木头按摩时后扣带皮层在任务态被激活，说明按摩方式不同，激活的脑区也不同。

Yeon等[4]模拟蜥蜴和壁虎爬行垫，通过用聚二甲基硅氧烷加入快速催化剂的比例改变黏度(催化剂比例越大，黏度越小)制成圆形的触摸垫，志愿者用右手食指触摸圆形垫，用丙烯酸树脂材料做成方形垫作为空白对照，结果发现，志愿者感觉有黏度的催化剂比例阈值是7.47%(比例小于7.47%称为阈值上，大于7.47%称为阈值下)。通过数据分析发现，与对照组相比，阈值上组激活的脑区为对侧中央后回(BA1-BA3、S1)、额中回(BA9、背外侧前额叶皮层)，线性关系分析发现，黏度与激活脑区无显著线性关系；阈值下组与对照组相比无明显的激活；阈值上组与阈值下组相比，激活的脑区为对侧基底节区域(苍白球、壳核、尾状核)、同侧基底节区域(尾状核、丘脑区域)、脑岛、颞中回、颞上回。通过线性关系分析发现，除了同侧尾状核、颞中回，其他6个区域血氧水平依赖响应强度与黏度呈正相关关系。

3 年龄

小儿从出生后，大脑处于不断的发育中，到某一个年龄段大脑功能基本趋于稳定。Björnsdotter等[28]通过刺激儿童、青少年、成人3个年龄段的志愿者的右前臂和右手掌，结果发现成人组刺激右前臂和刺激右手掌激活的脑区相同，为对侧S1、双侧S2、对侧岛页皮层、前额叶皮层、后颞上沟；青少年组和儿童组刺激右前臂激活的脑区为对侧S2、对侧岛页皮层，刺激右手掌激活的脑区为对侧S2。

Kida等[29]分别用木头和用棉花包裹的天鹅绒包装的木头对婴儿的手掌进行刺激，产生中性触觉和愉快的情感触觉，结果发现年龄和刺激物对于氧合血红蛋白的浓度有显著的相互作用。10个月龄的婴儿，与木头相比，通过与天鹅绒接触显示前额叶皮层的双侧活化增加，而3个月和6个月大的婴儿没有此效应。天鹅绒和木头(天鹅绒减去木头)之间的羟基血红蛋白浓度差异显示，与3个月和6个月大的婴儿相比，10个月大的婴儿双侧大脑半球产生的激活增加， 因此，氧合血红蛋白浓度的发展变化的临界点在6～10个月。关于触觉刺激对不同年龄的受试者激活不同脑区的研究，虽然能大致确定不同年龄段的大脑机制不同，但是还没有细化到具体哪个年龄段发生变化。

综上所述，本研究从3个方面讨论了触觉刺激与相应脑区的关系，由于检测触觉激活脑区的方式是对刺激前后的大脑皮层区域的血氧水平进行对比，对前后差值超过一定值的脑区定义为激活或抑制区域，但由于大脑结构和功能的复杂性，目前对血氧水平的差值缺乏一个统一的规定，在激活脑区的标准上缺乏一致性。

触觉激活脑区作为大脑的基础研究，只是大脑功能的一部分，在这种功能脑区重建的过程中，大脑的触觉机制会不断地被发掘出来，处理触觉刺激的大脑机制目前一直在探索中，但是不同研究得出的结论并不一致。除了刺激物的控制，还有操作对象的差异、刺激速度、刺激模式等各方面的综合因素，如何消除各种其他混杂因素的影响，是今后研究的重点。