就像許多為人父母者那樣，大衛(wèi)·金蒂（David Ginty）在辦公室里掛滿了他“基因創(chuàng)作”的照片：有的渾身帶刺、戴著鉚釘項圈，有的揮舞著套索夢想成為一位牛仔，有的反應過度、極易被激怒，有的心思細膩，有的則是父母最引以為傲的“金童”。
“它們就像一個家庭?！彼f，“每個都有自己的特點和個性?！?/p>
不過，它們并不是真正的家庭成員，也不是他的孩子。它們歷經(jīng)數(shù)百萬年演化而來，賦予人類和其他哺乳動物與物理世界互動的能力。作為哈佛醫(yī)學院神經(jīng)生物學系的負責人，金蒂二十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它們：他掌握了它們的電信號語言，明白了它們對哪些力量有反應，并繪制了它們從皮膚深入大腦的復雜路徑。他通過基因工程和化學標記技術，讓這些“角色”的彩色畫像得以呈現(xiàn)在辦公室墻上。
“大衛(wèi)·金蒂就是觸覺之皇?！泵绹鴩⑿l(wèi)生研究院的感覺神經(jīng)科學家亞歷山大·切斯勒（ Alexander Chesler）這樣評價。
“看到他的發(fā)表論文列表，你只能驚呼‘老天啊’?！备窭垢绱髮W的神經(jīng)解剖學家大衛(wèi)·休斯（David Hughes）說，“他太高產(chǎn)了，而且所有論文都是發(fā)在頂級期刊上?！?/p>
除了那些寫進教科書的技術突破和科學發(fā)現(xiàn)，真正讓同事們印象最深刻的是那些（由金蒂）繪制出的觸覺神經(jīng)元的圖像。它們看起來仿佛來自深海世界，完全不像我們以為的神經(jīng)元會是的樣子。這些形態(tài)奇特的細胞，就是觸覺體驗如此豐富多樣的原因——為什么手機振動會不同于微風拂面、愛人的輕撫、雨滴落在肩上或母愛之吻。意識到你的身體到處都分布著這些細胞——它們就是你的一部分——讓人驚嘆不已。
“每一個神經(jīng)元都在講述一個故事，”金蒂說，“它們的結構各不相同，反應的刺激也不同。這正是‘結構決定功能’的體現(xiàn)，這種精妙正是它們的美麗所在?！?/p>
- David Ginty -
觸覺全景
幾個世紀以來，科學家和哲學家都對觸覺充滿了興趣。亞里士多德認為人類的觸覺能力遠超其他物種，這也是人類智力更高的一部分原因。然而如今我們知道，從海獅、蜘蛛到星鼻鼴鼠的生物，都能感知到我們察覺不到的物理世界特征。盡管如此，亞里士多德將觸覺視為獨特的觀點并非毫無道理。
在所有感官中，軀體感覺系統(tǒng)是最復雜的，因此有研究者認為觸覺是最難研究的感官。比如視覺和聽覺，其感受器分別集中在視網(wǎng)膜和耳蝸——一個只有郵票大小，另一個不過豌豆大小。而觸覺則分布廣泛：傳遞觸覺信號的神經(jīng)元聚集在脊髓外的神經(jīng)節(jié)中，它們像水母觸手一樣，將長長的軸突纖維延伸到皮膚和內臟器官中。每根軸突在皮膚表層下方形成一個末梢結構，這些末梢各有不同，是用來接收并解析不同類型觸覺刺激的機制。
我們的眼睛和耳朵分別處理光和聲音，而觸覺卻涉及一個“感官大拼盤”：戳、拉、吹、撫摸、振動，還有各種溫度和化學刺激，比如辣椒中的辣椒素或薄荷中的薄荷醇。這些輸入形成了壓力、疼痛、瘙癢、柔軟與堅硬、冷熱感，以及身體在空間中的定位感等多樣的觸覺感知。
那么，這一切是如何實現(xiàn)的呢？19世紀的解剖學家們提供了第一個線索。他們在顯微鏡下觀察尸體皮膚時，發(fā)現(xiàn)組織中有一些奇怪的結構。有的扁平如薄餅，有的像洋蔥、紡錘，或是一團團的線球。因為這些結構與神經(jīng)有聯(lián)系，解剖學家便推測它們是觸覺感受器。
到了20世紀，生理學家們證實了早期解剖學家的猜想。他們使用細小的電極，能夠“竊聽”單個神經(jīng)元之間的電信號交流。然后，通過各種不同的觸覺刺激——比如用針尖或鉛筆橡皮戳人或動物的皮膚——他們可以判斷該神經(jīng)元對哪些刺激有反應，以及它在身體的哪個部位檢測到這些刺激。在動物實驗中，研究者甚至可以剖開感受區(qū)域的皮膚，觀察那里的結構，并將神經(jīng)元與其軸突末端在皮膚中形成的結構一一對應起來。
金蒂實驗室利用基因工具與抗體染色技術，繪制出了觸覺神經(jīng)元的熒光圖。從左上角順時針方向依次為：帕奇尼小體感應地面震動；披針形末梢環(huán)繞毛發(fā)以探測其偏轉；梅克爾細胞（紅色）圍繞毛發(fā)軸（綠色）識別輕微按壓；克勞斯小體則能感知性接觸的振動；靠近骨頭的三個帕奇尼小體；梅克爾細胞（藍色）。
Courtesy of David Ginty
這些神經(jīng)末梢的專屬性令人驚嘆?？拷つw表面的扁平結構叫作梅克爾細胞復合體（Merkel cell complex），能感應輕微壓凹。你的嘴唇和指尖中大量分布著這些細胞，使你能夠感知物體的形狀與質地。你的手指還布滿了螺旋狀神經(jīng)末梢，稱為邁斯納小體（Meissner corpuscles），它們像球狀團塊一樣纏繞在支持細胞周圍。這些感受器可探測極其細微的振動，比如當物體輕微滑動時產(chǎn)生的摩擦，幫助你精準使用工具。皮膚更深層處則藏著洋蔥狀的帕奇尼小體（Pacinian corpuscles），它們能探測地面震動；還有梭形的魯菲尼末梢（Ruffini endings），則負責傳遞皮膚被拉伸的信息。
通過電極記錄，這些生理學家根據(jù)神經(jīng)纖維的大小、放電模式與傳導速度，識別出了15種以上的觸覺神經(jīng)元類型。然而，觸覺世界的全貌仍遠未揭示清楚：這些神經(jīng)元到底分布到哪里？在那兒又執(zhí)行什么任務？像梅克爾復合體這樣體積較大的神經(jīng)末梢容易觀察（大小約如一粒鹽），但絕大多數(shù)神經(jīng)末端在當時的技術條件下都太小，無法清晰分辨。雖然研究人員可以用組織染色追蹤它們在皮膚中的走向，但無法區(qū)分它們之間的差異。
“那簡直是一片叢林。”金蒂說，“在同一塊皮膚區(qū)域，可能有12到15種神經(jīng)元類型共存，但你完全分辨不出誰是誰，因為它們只是密密麻麻的一堆軸突?！睘榱私鉀Q這個謎團，技術與創(chuàng)意的完美結合足足等了半個世紀。
毛發(fā)問題
金蒂今年剛過60歲，但你從和他交談中很難看出他的年齡。當談起那些支配皮膚的神經(jīng)元時，他充滿孩童般的熱情，仿佛剛剛才發(fā)現(xiàn)它們——盡管實際上，自1995年在約翰·霍普金斯大學創(chuàng)立實驗室以來，他幾乎每天都在思考這些神經(jīng)元。
“他其實非常有趣又輕松隨和?！崩浊袪枴の譅柗蛏≧achel Wolfson）說。她曾是金蒂的博士后研究員，現(xiàn)在也在哈佛醫(yī)學院領導自己的實驗室?！八?jīng)常一邊工作一邊吹口哨?！边@并不意味著他心不在焉——相反，他將自己的好奇心與驚奇感高度集中在研究中，這種專注力使他能牢牢把握住最核心的問題。只要你向他提出一個難題，他總能想出最完美的實驗來解決它。
當金蒂決定投身觸覺神經(jīng)科學領域時，他最初想要了解感覺神經(jīng)元是如何發(fā)育的。但他很快意識到，自己根本不知道這些“尚未成熟”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會形成怎樣的回路與終末結構。要找到答案，他需要一種辦法，能夠逐一可視化每一種神經(jīng)元類型。
很快，基因工程技術給了他解決問題的鑰匙。在研究神經(jīng)元發(fā)育的頭十年中，金蒂收集了一整套能識別不同觸覺神經(jīng)元類型的特異性基因。從2007年起，他開始基因改造小鼠以控制特定的觸覺神經(jīng)元。在這些新鼠品系中，研究人員可以用各種辦法控制某一類觸覺神經(jīng)元——例如，用化學標簽使其發(fā)出熒光，或者用光來激活或關閉其功能。
切斯勒表示，這些研究帶來的影響如同你本來只能聽一首交響樂，而現(xiàn)在卻能看到演奏的每一件樂器，還能親手去演奏它們。每一個小鼠品系就像為樂隊的某個部分打上一道聚光燈——弦樂、木管、銅管、打擊樂各自清晰可見?！澳憧梢阅闷鹦√崆倏纯此趺催\作。”切斯勒說，“你還可以調音，或改造這把樂器，看看會對音樂造成什么影響?！?/p>
在獲得這些新型小鼠品系后，金蒂最先研究的目標是有毛皮膚這一“地下世界”。相較之下，無毛皮膚研究較為充分，因為其中密集分布著我們熟知的觸覺結構，如梅克爾復合體和邁斯納小體。而對那些讓我們感知毛發(fā)彎曲或拉拽時所依賴的神經(jīng)結構，人們卻知之甚少。
盡管我們通常會覺得皮膚是平滑的，實際上，除了手掌、腳底、嘴唇、乳頭和部分生殖器區(qū)域，其余大部分身體都覆蓋著毛發(fā)。其中，絨毛細軟且顏色較淺，能幫助汗液蒸發(fā)降溫；保護毛則較粗，能防止摩擦和抓撓帶來的傷害。金蒂發(fā)現(xiàn)，不同類型的毛發(fā)本身也都是“觸覺感受器”。
皮膚中主要的感覺感受器
Created with BioRender
制圖：神經(jīng)現(xiàn)實
他的團隊利用小鼠品系和其他基因工程手段，給三類已知對輕觸敏感、但末梢結構尚未明晰的感覺神經(jīng)元打上熒光標簽。借助顯微鏡，這些神經(jīng)元在小鼠有毛背部的皮膚中如霓虹燈般發(fā)出紅綠熒光，末梢結構清晰可見。研究人員觀察到一種梳狀結構，像王冠一樣環(huán)繞毛囊。他們將這種結構命名為披針形末梢，因為其尖端呈披針狀收束。
令人驚訝的是，這三種神經(jīng)元都能形成披針形末梢，但各自負責不同類型的毛發(fā)。小鼠的毛發(fā)分為三類：保護毛，以及類似人類絨毛的錐形毛和鋸齒毛。金蒂的團隊發(fā)現(xiàn)，粗大、傳導速度快的神經(jīng)元會環(huán)繞保護毛與鋸齒毛的毛囊，使小鼠能夠迅速辨別觸碰的位置和方式；而纖細、傳導速度較慢的神經(jīng)元則靶向錐形毛與鋸齒毛。金蒂后來還發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)元形成的是單側冠狀結構（如同箍冠），可以傳遞毛發(fā)被特定方向掃過或拉扯的信息。而錐形毛和鋸齒毛也同樣是感知細膩、傳導緩慢的神經(jīng)元的作用目標。過去人們認為這些神經(jīng)元引起瘙癢感，但現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它們與愉悅的觸覺感受有關，因此有時也被稱為“撫觸感受器”（caress sensors）。金蒂實驗室最近還發(fā)現(xiàn)，這類神經(jīng)元是狗在被水弄濕時會抖動身子的原因。
金蒂團隊的研究成果于2011年發(fā)表，首次揭示了毛發(fā)如何帶來如此豐富的觸覺感受?！斑@是一項壯舉?！奔又荽髮W伯克利分校的神經(jīng)科學家戴安娜·包蒂斯塔（ Diana Bautista，未參與該研究）評論道：“這個系統(tǒng)的復雜程度令人震撼：不同類型的神經(jīng)元以一種優(yōu)雅而有序的方式支配皮膚。而那些神經(jīng)元圖像同樣令人驚艷，這就像第一次看到從太空拍攝的地球那樣?！?/p>
美妙振動
金蒂繼續(xù)深入繪制皮膚觸覺感受器的詳細地圖。在2015年的一項研究中（當時他的實驗室已遷至哈佛醫(yī)學院），他發(fā)現(xiàn)了一種新的快速傳導神經(jīng)元類型，它們像套索一樣纏繞毛囊。1960年代最早發(fā)現(xiàn)這些神經(jīng)元的生理學家曾認為它們是疼痛感受器。但金蒂發(fā)現(xiàn)，這些神經(jīng)元實際上還能感知大面積有毛皮膚（比如手背）上的輕柔摩擦，因此他稱它們?yōu)榄h(huán)狀末梢（circumferential endings）。它們擅長偵測緩慢而廣泛的觸摸動作，這一能力來自多達180個“分支”，每個分支分別纏繞一個毛囊。
近年來，他還深入探究了性觸覺（sexual touch）的神經(jīng)機制。早期解剖學家除了發(fā)現(xiàn)梅克爾細胞等結構外，還在外生殖器中觀察到一些形狀類似手部邁斯納小體的球狀結構。這些被稱作克勞斯小體的結構，也存在于嘴唇、乳頭、肛門，甚至眼球和指關節(jié)等部位?？茖W家們長期懷疑它們與性有關，但功能尚不明確，一些人甚至猜測它們是溫度感受器。
2024年6月發(fā)表的一項研究中，金蒂及其合作者發(fā)現(xiàn)，克勞斯小體是由兩種快速傳導神經(jīng)元的軸突末端組成的。通過激活或剔除小鼠中的這些神經(jīng)元，研究人員證實它們可誘發(fā)性喚起。克勞斯小體與邁斯納小體一樣，對振動高度敏感。金蒂解釋道：“你可能會問，‘為什么是振動？’因為當皮膚摩擦皮膚時，就會產(chǎn)生微小的振動。這些小體非常擅長捕捉這種振動?！笨藙谒剐◇w對40到80赫茲的頻率最敏感，這正好是常見震動式成人玩具的工作頻率。
不過，金蒂最鐘愛的觸覺神經(jīng)元，是形成洋蔥狀小體的帕奇尼神經(jīng)元。在人類和靈長類動物中，這些小體位于無毛皮膚與有毛皮膚的深層，特別集中在關節(jié)附近（在小鼠中則多分布于手腕、踝部與趾骨周圍）。像邁斯納和克勞斯小體一樣，帕奇尼小體也對振動敏感，但它們的靈敏頻率遠高得多——可達1000赫茲。金蒂回憶當初的疑問：“到底什么樣的東西在這樣的頻率范圍內振動？火車的轟鳴？大提琴的回響？還是暴雨的敲擊？”他知道大象的腳和鼻子能感知來自數(shù)公里外其他大象的腳步與叫聲，這些部位正密布著帕奇尼小體。他開始懷疑，或許這些小體是“地震感受器”。
為驗證這個假設，金蒂團隊記錄了清醒小鼠中帕奇尼神經(jīng)元的電信號。當研究人員在小鼠身邊重重敲擊地面時，這些神經(jīng)元被激活；當他們在數(shù)米外敲地，神經(jīng)元仍然放電；甚至輕輕用手指敲地，也能讓它們響應。
更令人驚訝的是，當研究人員追蹤這些神經(jīng)元的信號傳入大腦的路徑時發(fā)現(xiàn)，它們并未像一般觸覺信號那樣走常規(guī)路線——即經(jīng)腦干傳入丘腦，再到達軀體感覺皮層。相反，正如其團隊在2024年報道的，大多數(shù)帕奇尼神經(jīng)元的信號進入了處理聲音的腦區(qū)——下丘腦。
金蒂形容帕奇尼小體為“分布在全身的小型人工耳蝸”。他的團隊還發(fā)現(xiàn)，這些小體一旦被激活，大腦對聲音的反應會增強。“機械振動會讓聽覺線索變得更加顯著?！边@或許解釋了為什么我們在聽音樂時，常常不僅在內心“感受”到音樂，還能產(chǎn)生強烈的身體共鳴。
萬千瑰麗
在過去五年里，金蒂和其他科學家對成千上萬個單個觸覺神經(jīng)元進行了遺傳分析。根據(jù)這些神經(jīng)元表達的基因進行分類，金蒂團隊目前已識別出18種不同類型，可能還有更多——由于當前細胞分選技術的分辨率有限，確切數(shù)目仍難以確定。這些類型中，包括了他研究重點的六七種“輕觸”神經(jīng)元，也包括六種響應較強機械刺激的神經(jīng)元（其中一些還對溫度或化學刺激有反應）、一種專門感知灼熱疼痛的神經(jīng)元、一種感知寒冷的神經(jīng)元、三種或更多感知身體位置的神經(jīng)元，以及一些目前功能仍未知的類型。
隨著更多觸覺神經(jīng)元被分析，數(shù)字很可能還會繼續(xù)增加。而且，即使軸突末端結構的不同，這些神經(jīng)元仍然可以進一步細分。例如，一種能在無毛皮膚中形成邁斯納小體、感應振動的神經(jīng)元，也可以在有毛皮膚中形成披針形末梢，用于探測毛發(fā)移動。在2023年一項研究中，金蒂團隊還發(fā)現(xiàn)，這類神經(jīng)元甚至支配結腸，其軸突在腸道中分支并纏繞運動神經(jīng)元，使我們能夠感知腸道擴張。因此他總結道，如果同時考慮基因與形態(tài)差異的話，“也可以說其實有五六十種不同的觸覺神經(jīng)元類型。我們并不知道究竟還有多少有待挖掘?！?/p>
金蒂將繼續(xù)挖掘它們。如今，他仍在思考那些十多年前就開始追問的基本問題：這些觸覺神經(jīng)元分別通向何處？它們的末梢結構是什么樣？它們如何捕捉物理世界的豐富性？“我們現(xiàn)在對皮膚中的‘誰是誰’，以及它們的反應特性，已經(jīng)有了相當清晰的了解。”金蒂說。但心臟、肺、喉、食道、胃、腸、腎這些器官呢？是什么神經(jīng)元讓肌肉感到酸痛與疲勞、引發(fā)偏頭痛，或是在嬰兒吮吸時讓母親的乳房分泌乳汁？
金蒂也想知道，這些神經(jīng)元如何與大腦連接并生成感知。由數(shù)百萬神經(jīng)末梢感受到的壓力與振動，到底如何成為對“擁抱”的感知？我們又是如何感知濕潤感、滑膩感和彈性的？“想象你在擠壓一個氣球，”他說，“顯然不會只有一種感覺神經(jīng)元能單獨編碼‘擠壓感’?！?/p>
他的研究不僅改變了我們對單一觸覺感受器的認識，也顛覆了我們對其如何傳遞信息的理解。直到最近，經(jīng)典理論認為觸覺信號像打電話一樣，沿著固定的線路一路傳輸?shù)酱竽X的軀體感覺皮層，這個大腦區(qū)域處理各類感覺信息?！耙虼?，所有觸覺世界中的高級特征都被認為是皮層的‘涌現(xiàn)屬性’?！钡c其他研究者的成果推動了這一理論的范式轉變。現(xiàn)在很明確的是，大量觸覺信息在進入大腦認知區(qū)域之前，就已在脊髓和腦干被加工處理，也就是說，觸覺信息的神經(jīng)生物處理過程比我們過去以為的更早發(fā)生。
如果你問金蒂這些知識到底有什么實際用途，他會列出常見應用方向：更好的鎮(zhèn)痛藥、改善自閉癥等感覺處理障礙的治療方法、更逼真的仿生義肢。但真正驅動他前行的，是一種更抽象的動力：敬畏感。他的研究，讓他對這項我們習以為常的感官有了更深的體會——觸覺是如此細膩多維，直至今日它仍時常帶來驚喜。
不久前，他去聽了一場波士頓交響樂團的演出。“我把手指搭在椅子上，閉上眼睛，靜靜感受音樂?！?/p>
作者：Ariel Bleicher
譯者：EY
原文：
https://www.quantamagazine.org/touch-our-most-complex-sense-is-a-landscape-of-cellular-sensors-20250416/
熱門跟貼