日报标题:身上接了一只橡皮手,自己居然真的感觉到疼
困在颅骨中的大脑如何根据多种感官构建统一的外部世界是神经科学的核心问题之一。
为何一堆连接大脑神经的感受器只发送一些表示疼痛的化学信息时,大脑能够不通过视觉等方法进行定位,直接就能知道疼痛的来源位置呢?
很多答案提到了感觉皮层的小人,这和题主的问题有很大的关系,就像题主所怀疑的:
难道大脑和这些身体位置还会有意义对应的单独的管线吗?
确实是单独的管线喔!(Penfield & Boldrey, 1937)
身体上每个部分都有单独向大脑汇报的管线,直到大脑皮层;并且皮层上的“接收方”细胞们有与身体相近的拓扑关系,形成“感觉小人”;与此相似的,与运动相关的运动皮层也有一个“运动小人”:
来源:Beth Scupham via http://www.stockpholio.net/
但是这其实并不能完全回答 “如何定位疼痛的身体来源位置” 这个问题——或者说,只是提供了这个问题的线索。毕竟,颅骨中的大脑即使知道痛觉来自于标记有“左手食指”的管线,又如何能利用这一信息(比如说)指挥眼睛去查看伤口呢?
(题外话。题主的问题可能更接近于"我知道我的左手在哪里"这种感觉的来源,这涉及本体感觉的感质,一下就超出了现有的神经科学知识。下面处理一些相关的我们有办法探索的问题。)
眼睛看到的视觉世界和痛觉感受器汇报的本体感知世界如何实现对应?
题主说:
是否刚形成神经系统时,人并不能确切地知道发出神经冲动的确切部位,而是通过综合其他如视觉、听觉等信息,混合起来才建立了“疼痛——位置”一一对应的关系呢? 但是盲人能正确地瘙痒啊,然后想象到了这么一种场景:一开始人不知道哪里痒或者痛,只知道有这种感觉,是通过抓痒等行为来确立了这种一一对应的关系么?
答案大概介于“完全无知”和“确切知道”之间。(题主猜的真好!)
发育过程中,大致的连接模式是先天设计好的:所有人的感觉小人和运动小人都差不多。因此,可以说人大体上知道神经冲动的来源。但不是确切知道,细节还需要通过经验来不断填补和修正(想想婴儿是多么无助!)。
这一不断进行的学习通常被称作大脑的可塑性。这里推荐 @This Is Not Tina 关于可塑性的回答。
题主说
本想借助幻肢现象还有脑损伤患者的躯体幻觉来帮助思考
那么题主可能已经知道可以通过视觉人为制造幻肢:
上图右侧为经典的“橡皮手幻觉”:志愿者看到的是一个橡皮手,但在橡皮手被刺时会感觉到自己右手的痛觉。左侧为“三只手幻觉”,这时人们真感觉自己有三只手……
来源:Arvid, Petkova, and Ehrsson, 2011
这类实验说明我们综合各感官所报告的信息,并在脑中形成一个一致的故事;当来自本体感觉(实际的右手,没有刺激)的信息与来自视觉的信息(看到的右手被戳了!)矛盾时,有时会强行综合。这是很多幻觉的基本原理。
但在神经回路层面, 具体的机制其实还很不明确。不如题主来研究呀!
当然,还有最后的问题。
为何一堆神经细胞连接成一个如此庞大的网络之后会自发地出现意识
这是所有神经科学家都曾经想过的问题,可能有一半都是从这个问题开始对大脑产生兴趣的。现在的情况是很少人敢去研究,因为我们对更简单的问题都了解的很少,这么难的问题基本上无从下手。
当然也是有人研究的,有一些有趣的理论不妨看一看,比如 Tononi 提出的综合信息理论 (2004, 好久没关注,才发现 Integrated Information Thoery 已经迭代到第三版了...),他和 Cirelli 在威斯康辛大学领导睡眠与意识中心,文章列表非常有趣:Center for Sleep and Consciousness
Penfield, Wilder, and Edwin Boldrey. "Somatic motor and sensory representation in the cerebral cortex of man as studied by electrical stimulation." Brain: A journal of neurology (1937).
Guterstam, Arvid, Valeria I. Petkova, and H. Henrik Ehrsson. "The illusion of owning a third arm." PloS one 6.2 (2011): e17208.
Tononi, Giulio. "An information integration theory of consciousness." BMC neuroscience 5.1 (2004): 1.