大腦如何定位疼痛的身體來源位置的?定位過程是怎樣發生的呢?

這聽起來就像在問為何蘋果往下掉那樣奇葩,但我真的想不通。今天手指被刺了一下,痛了一會之後就很疑惑:為何一堆連接大腦神經的感受器只發送一些表示疼痛的化學信息時,大腦能夠不通過視覺等方法進行定位,直接就能知道疼痛的來源位置呢?

如果沒有位置標記,那如何在信號都匯總在一起時還能分出信號是哪裡發出的?不會腿和手的混雜在一起么?難道大腦和這些身體位置還會有意義對應的單獨的管線嗎?

想像了一下,這就像是一個晶元通過一個匯流排連接著一堆感測器,但是感測器發送過來的信息並沒有地址,只有脈衝強度,但是晶元卻可以知道是哪個地點的感測器傳來了信號一樣詭異。

1、然後我想了一下,絕不會是通過檢測兩點之間信息傳播的速度進行檢測的。

2、然後再想了一下,會不會是感受器發送的信號,除了疼痛強度,還有坐標呢?就像一個數據包在互聯網各個節點之間傳播那樣,雖錯綜複雜,可是卻能精確定位。但我印象中的高中生物知識告訴我,感受器以及神經衝動的傳播並不攜帶坐標。

3、會不會是像蜘蛛感受震動來定位的方式類似呢?

4、是否剛形成神經系統時,人並不能確切地知道發出神經衝動的確切部位,而是通過綜合其他如視覺、聽覺等信息,混合起來才建立了「疼痛——位置」一一對應的關係呢? 但是盲人能正確地瘙癢啊,然後想像到了這麼一種場景:一開始人不知道哪裡癢或者痛,只知道有這種感覺,是通過抓癢等行為來確立了這種一一對應的關係么?

暫時來說,我還是想不通我的意識是如何定位疼痛的來源的。本想藉助幻肢現象還有腦損傷患者的軀體幻覺來幫助思考,但畢竟我不是學醫也不是學生物的,有限的知識和有限的時間內我估計無法得到答案。因此懇求大家解答我疑問……

我很吃力地想表達這個疑惑,直到現在我都覺得自己沒能完全表達出來。但我已經儘力了。可能還需要大家意會一下,抱歉啊。

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然後現在我已經疑惑到為何一堆神經細胞連接成一個如此龐大的網路之後會自發地出現意識,這意識是DNA如程序般表達出大腦,大腦和環境互動受到訓練而產生的么? 那互聯網有可能在未來自發地產生意識嗎?這種意識很可能根本不能為人所察覺吧?如果不能,那麼為什麼大腦可以呢?


謝謝 @Webson 邀請,題主 @陳傑 這個問題太棒了!

困在顱骨中的大腦如何根據多種感官構建統一的外部世界是神經科學的核心問題之一。

為何一堆連接大腦神經的感受器只發送一些表示疼痛的化學信息時,大腦能夠不通過視覺等方法進行定位,直接就能知道疼痛的來源位置呢?

很多答案提到了感覺皮層的小人,這和題主的問題有很大的關係,就像題主所懷疑的:

難道大腦和這些身體位置還會有意義對應的單獨的管線嗎?

確實是單獨的管線喔!(Penfield Boldrey, 1937)

身體上每個部分都有單獨向大腦彙報的管線,直到大腦皮層;並且皮層上的「接收方」細胞們有與身體相近的拓撲關係,形成「感覺小人」;與此相似的,與運動相關的運動皮層也有一個「運動小人」:

來源:http://www.flickr.com/photos/22519875@N08/7387279630/&" class="">Beth Scupham via http://www.stockpholio.net/

但是這其實並不能完全回答 「如何定位疼痛的身體來源位置」 這個問題——或者說,只是提供了這個問題的線索。畢竟,顱骨中的大腦即使知道痛覺來自於標記有「左手食指」的管線,又如何能利用這一信息(比如說)指揮眼睛去查看傷口呢?

(題外話。題主的問題可能更接近於"我知道我的左手在哪裡"這種感覺的來源,這涉及本體感覺的感質,一下就超出了現有的神經科學知識。下面處理一些相關的我們有辦法探索的問題。)

眼睛看到的視覺世界和痛覺感受器彙報的本體感知世界如何實現對應?

題主說:

是否剛形成神經系統時,人並不能確切地知道發出神經衝動的確切部位,而是通過綜合其他如視覺、聽覺等信息,混合起來才建立了「疼痛——位置」一一對應的關係呢? 但是盲人能正確地瘙癢啊,然後想像到了這麼一種場景:一開始人不知道哪裡癢或者痛,只知道有這種感覺,是通過抓癢等行為來確立了這種一一對應的關係么?

答案大概介於「完全無知」和「確切知道」之間。(題主猜的真好!)

發育過程中,大致的連接模式是先天設計好的:所有人的感覺小人和運動小人都差不多。因此,可以說人大體上知道神經衝動的來源。但不是確切知道,細節還需要通過經驗來不斷填補和修正(想想嬰兒是多麼無助!)。

這一不斷進行的學習通常被稱作大腦的可塑性。這裡推薦 @This Is Not Tina 關於可塑性的回答。

題主說

本想藉助幻肢現象還有腦損傷患者的軀體幻覺來幫助思考

那麼題主可能已經知道可以通過視覺人為製造幻肢:

上圖右側為經典的「橡皮手幻覺」:志願者看到的是一個橡皮手,但在橡皮手被刺時會感覺到自己右手的痛覺。左側為「三隻手幻覺」,這時人們真感覺自己有三隻手。。。來源:Arvid, Petkova, and Ehrsson, 2011

這類實驗說明我們綜合各感官所報告的信息,並在腦中形成一個一致的故事;當來自本體感覺(實際的右手,沒有刺激)的信息與來自視覺的信息(看到的右手被戳了!)矛盾時,有時會強行綜合。這是很多幻覺的基本原理。

但在神經迴路層面, 具體的機制其實還很不明確。不如題主來研究呀!

當然,還有最後的問題。。。

為何一堆神經細胞連接成一個如此龐大的網路之後會自發地出現意識

這是所有神經科學家都曾經想過的問題,可能有一半都是從這個問題開始對大腦產生興趣的。現在的情況是很少人敢去研究,因為我們對更簡單的問題都了解的很少,這麼難的問題基本上無從下手。

當然也是有人研究的,有一些有趣的理論不妨看一看,比如 Tononi 提出的綜合信息理論 (2004, 好久沒關注,才發現 Integrated Information Thoery 已經迭代到第三版了...),他和 Cirelli 在威斯康辛大學領導睡眠與意識中心,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.


並不是所有疼痛大腦都能分清楚是出現在哪裡哦。

比如一個最最最最基礎的教科書里的痛,膽囊炎的背部放射痛大腦就分不清了,於是有的膽囊炎患者會感到背部痛的要命而右腹不怎麼痛。


這個問題要分兩個部分來解答,介於題主好像是非專業人士我盡量說的普通人也能懂。

第一部分是,特異性投射系統,是存在於神經系統的一種系統。這部分系統就是從根本上決定你知道你的「感覺來自哪裡」。

不只是痛覺。聽覺,視覺,皮膚(觸覺),深部感覺,也是根據這個系統決定的。

先解釋一下特異性投射系統,是指丘腦的感覺接替核接受軀體各種特異性感覺傳導通路【如上】傳來的感覺,通過換元【非數學的換元,是神經元之間的轉換】接替後,投射到大腦皮層的特定區域,併產生特異性感覺的系統。這樣你就知道你身體的哪個部分有什麼感覺。

擴展閱讀:通過丘腦聯絡核投射到大腦皮層的部分,雖不引起特定的感覺,但其在大腦皮層有特定的投射區域,所以也屬於特異性投射系統。

那麼為什麼手指頭痛的精確感覺要比內臟痛覺要明顯呢,這就是我要解釋的第二個,大腦皮層感覺代表區。

手機沒留什麼圖…有機會上電腦補,如果專業人士能完善就更好了。

想必題主看過很多大腦圖,各種溝溝回回的,解剖學上的大腦分區簡易的可以分為大腦前回,島葉,大腦後回。

肌肉的本體感覺投射至中央前回,體表感覺第一感覺區在中央後回,第二感覺區在中央後回和島葉之間【同時這部分和痛覺關係較密切】。內臟感覺覆蓋第一第二感覺區的邊緣。視覺,嗅覺,味覺,聽覺之類的就不贅述了…

樓上的那張圖雖然是大腦皮層運動區的圖,但是也可以用來簡易解釋部位不同帶來的不同痛覺清晰度。

大腦皮層感覺代表區的特點:

一:中央前回的體表感覺投射區:

1:軀體的感覺傳入衝動具有交叉投射的性質,比如你左大腿痛,但是上行後投射到大腦右側的大腿對應區域。

例外是頭面部,頭面部的感覺傳入是雙側投射性質,所以你臉上疼感覺會稍微明顯一點。

2:投射區域呈倒立分布,結合樓上答案看就可以明顯看出來,下肢的感覺區域在頂部,上肢的感覺區域在底部。

例外依然是頭面部,雖然頭面部整體感覺區域在最底部,但是頭面部分開來的眼耳口鼻呈正立分布。

3:也是比較能清晰解釋你的疑問的一點,就是投射區域的大小和這個部位的感覺分辨精細程度有關。這個部位的分辨或者活動能力越精細,所佔的感覺區域也越大。比如五根手指所佔的區域加起來和整個下肢的感覺區域差不多。所以俗話說「十指連心」。

二:體表感覺投射的特點。

體表感覺和軀體感覺區域的不同就是,他是呈正立分布的,雙側投射,但是分析比較粗糙,所以破皮和截肢【這個例子差別有點大】的感覺差別很大。

三:肌肉感覺投射

這個看樓上圖就能解釋,那一塊同時承受了肌肉的感覺投射區和運動投射區。

四:內臟感覺投射

可投射到第一,第二感覺區,運動輔助區和邊緣系統的皮層部位。

其他想起來再補充,暫時這麼多。

至於人工AI有沒有可能產生自主思考的能力,可能是可能,但是在他成長到可以隱藏自己可以自主思考的能力的之前,已經就會被人類發現。


針對題主最後一段關於意識的部分討論一下

炫火成輪----火把掄的快了,看的人就會以為看到的是火輪。

不是大腦產生了意識,是各種識非常快,連到一起,使此識流以為自己有大腦,有身體,解剖身體,又是各種血肉、神經等認知,自以為是大腦產生了意識。任何時點(不是時間段),意識、眼識、痛覺等各種識只有一個。如果誰說他同時能看能聽,實際上各種識是在不斷切換的,而識太快了,人分辨不清,以為自己是同時在看在聽。識起碼有兩種,一種非常微細,一轉念間就是成千上萬個,一般是察覺不到,察覺的都是粗的識,這時以為是大腦一個個的產生了意識。其實正相反,是成千上萬連續、密集的識使此識「建立」了自己是一個真實的感覺。

幾個例子:鞋子每時每刻穿在腳上,可是不是每時每刻都有「我腳上穿著鞋的意識」。每處皮膚都是感覺器官,可是不是每時每刻都有無數的皮膚冷熱觸等感覺傳遞到大腦。即使是醫院扎針,扎的時候是痛,可是在一兩個小時的輸液過程中,針仍然在身體里,痛的因素都在,也不是每時每刻都痛。

人的大腦和電腦不同,不是像電腦那樣儲存信息。比如同樣給出1000個片語,電腦分別儲存在儲存器不同地址中,取出的時候,可以分毫不差的按順序輸出,也可以倒序輸出,大腦可不行。大腦是跳躍的、偶然的給出記憶,是建立了一種「大腦是有記憶的」感覺。結論是,互聯網產生不了人類這樣的意識。


身體上按部位分為1表層痛覺感受器:分布在皮膚和體表黏膜的遊離神經末梢,潛在於皮膚的表皮,真皮和毛囊。黏膜等處,皮膚痛點是與遊離神經末梢相對應。2深層痛覺感受器:分布於肌膜,關節囊,韌帶,肌腱,肌肉,血管壁等處。3內臟痛覺感受器:分布於內臟器官的背膜,腔壁組織間及進入內臟器官組織的脈管壁管。


感覺皮層的特異性投射。

是時候放出這張圖了。

圖源:http://scienceblogs.com/thoughtfulanimal/2010/06/30/ask-a-scienceblogger-sensation/by the way 運動皮層也是特異性的。


就是本體感覺。全身布滿了感受器。

感受器

1、 肌梭神經元——運動感覺——感覺肢體的運動速度,肌肉通過屈伸感知和調控運動速度。

2、 高爾基小體——肌腱兩端——負重感覺——感知和調節肢體的負重變化。

3、 帕廳尼小體——韌帶關節兩端——位置感覺——感知肢體與關節的位置移動。

4、 凡蒂帕廳尼小體——壓力感覺(同位置感覺)


大腦內有神經構成的表面的映射矩陣 = =

學過線代就懂了 = =

人腦也是工程學的傑作 = =


人體分上行傳導和下行傳導,大腦可以支配身體是下行,身體反饋給大腦是上行,這個上行傳導系統中,不同的神經纖維束起自的不同脊髓節段不同,故傳導到大腦的部位也不一樣那麼我們說,神經分布於機體各個部位,每一部位的神經,會行向機體脊髓,在這個過程中的副交感換元不提,到達脊髓後,換元,上行纖維束,各種方式入腦,接著在大腦各種核團內換元,換元,再換元。於是大腦皮質產生痛溫觸壓等感覺。。

在上行傳導支入腦的過程中,碰到有用的核團時,又會分出一部分神經到那個核團,於是你會發現就是各種分支,分布於各種核團。這個時候產生感覺。皮膚的精細觸覺最為靈敏,

而有些感覺,如內臟感覺,是沒有精準定位的,這是因為副交感神經起感覺作用

非特異性神經核團在這個過程中起到調控精細觸覺的作用。。

大腦中許多核團會有特定的加工神經衝動的方式,

比方視神經的方式就是三原色的編碼原理,我們才能分辨顏色,

然後下行纖維束,大腦反饋的痛溫觸壓覺就會使身體某個地方疼痛,

這個中間的故事要解釋一個星期差不多,我自己還沒有研究明白,但是大概就是這樣。。

我沒研究明白的是神經在腦內的走形和中轉。。這個好難啊好難。。

以上僅做參考啊。。


說說個人體會,如果同時相鄰的產生疼痛,不會感覺到是兩處。如果兩個大腿同時產生不同強度的疼痛,只會感覺到最強那處疼痛。如手和肩部同時疼痛那麼只會感覺到肩部。我覺得大腦在同一時刻只能處理一處同類感知吧,這些是我個人經驗,大家也可以做下實驗,那自己試試。說說


大家的認識都局限於全或無的神經傳導模式,實際上對於閾上感覺,人的神經存在邊際效應,另外一個要素是刺激的編程性。人吃了花椒後會使得味蕾產生50hz的類電刺激,使人感覺到麻的味覺。把波形和頻率結合起來,就能攜帶大量信息,這個和手機信號差不多。另一方面人存在脊柱和大腦兩級處理機構,對於一些較輕或者重要性不足的信號,脊柱就近處理了,比如沒有重要臟器的背部感覺較差。而對於強或者重要的信號,人腦有著信號接受矩陣,通過模擬還原作用把信號還原,第一這種機制就像電話里的音頻,第二人實際上是一個大的集合體,人耳和足底比較像胎兒比較說明這個問題,所以說人腦中也存在類似的擬態結構是可以理解的。


視覺和身體知覺都是有定位功能的,雖然對身體各部分的區分和定位可以不依賴視覺,但是身體感知能力的界限止於體表肌膚,要確定身體和外界的相對空間關係,就需要視覺或者聽覺進行綜合分析。

身體知覺是對自身狀態的感知,既包括像酸麻冷熱痛癢等等明顯的身體感受,也包括實時感知身體各部位細微的『實體感』(堅硬柔軟流動粘滯等等感受綜合起來構築出的身體存在感),不管疼痛有沒有發生,對自身的感知是不會停下的,儘管大多數時候我們會忽略眾多的身體細微知覺,只在發生類似疼痛之類的明顯感受時才會注意到具體的身體部分,但是就算手指沒有發生什麼值得注意的感覺,我們當然還是會閉著眼睛也知道手指在那裡。

痛或不痛,身體對各部分的感知和定位都在進行,如果手指發生疼痛,在痛點發出『痛』信號的同時,身體就能辨認出痛點位置了。

我們的體表分布著無數的末梢神經,感知著身體的各個部分,不同部分的神經信號通過特定的神經通路傳遞到大腦中不同的對應區域,在體表的信號發生端、身體內的神經傳遞路徑、大腦中的接收處理腦區,三個部分都可以提供位置信息給大腦。所以正常情況下是不會把身體不同區域的信號弄混的。

眼耳鼻身等器官和外界的光聲氣物接觸產生不同類型的知覺,大腦接觸到的這些感官知覺都是對能量和波的直觀感知(而不是數據語言),並對這些直觀感知產生好壞感受、想像、意識、行為和記憶,所有這些感官知覺和感受、想像、意識再經過大腦過濾、加工呈現到思維層面,就構成了形成我們所認為的『世界』。

互聯網包含了各種終端、傳輸設備、處理器和數據信息,龐大而複雜,但其中只有抽象數據和邏輯,沒有對外界直觀知覺,更沒有好壞感受、想像、主觀行為和自由意識,只是算模擬並放大了了人腦一部分的信息交換、存儲和邏輯處理功能。


哈哈哈


我們疼在哪?大腦中的疼痛分布圖


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