通过“镜中世界”实现的痛觉感知与视觉之间的多感官交互

《Behavioural Brain Research》：Multisensory interactions between nociception and vision through the looking glass

　　摘要：为了有效应对潜在威胁以保护身体完整性，不仅需要定位身体上的痛觉刺激，还需要确定外部空间中潜在有害物体的位置。因此，协调身体及其周围外部空间的表征至关重要。这种对身体及其附近区域的综合多感官表征通过“近身空间”这一概念来体现，它有助于处理和整合发生在身体附近的躯体和非躯体刺激。关于痛觉处理中这种参考框架的参与，有证据表明，在施加痛觉刺激的身体部位附近呈现的痛觉和视觉刺激之间存在相互作用。在这里，我们研究了关于视觉和痛觉刺激之间接近度的视觉反馈不匹配对这些相互作用的影响。在三个实验中，参与者需要对两个侧化的视觉刺激进行时间顺序判断，这些视觉刺激之前是在一只手上施加了单侧的痛觉刺激。在主要实验条件下，视觉刺激出现在参与者的手附近，但只能通过他们面前镜子中的远距离反射间接看到，而视觉反馈却表明视觉刺激位于施加痛觉刺激的手的实际位置更远的地方。这种镜子条件与三个实验中的几种不同控制条件进行了比较，在这些控制条件下，视觉刺激相对于被刺激的手的位置以及视觉反馈都进行了变化。结果一致表明，尽管视觉反馈存在不匹配，视觉刺激仍被重新编码为具有靠近被刺激手的真实源位置，从而使得痛觉刺激影响了视觉空间感知。这表明，痛觉刺激与附近非躯体刺激之间的相互作用可能确实依赖于对身体及其附近空间的高级心理表征，而不仅仅是关于躯体和非躯体刺激接近度的低级视觉反馈。

引言：疼痛是一种不愉快的感官和情绪体验，与实际或潜在的组织损伤相关。疼痛通常由薄髓鞘Aδ纤维和无髓鞘C纤维的激活产生[1]，它对生存具有重要意义，因为它预示着身体损伤的临近。除了这种内感受功能[2]外，疼痛还具有外感受功能，因为它提供了可能对身体造成伤害的外部刺激的信息[3]，目的是触发保护或恢复身体物理完整性的行为。为了适应该潜在威胁并作出适当反应，不仅需要检测和定位皮肤表面的痛觉刺激，还需要整合暴露于威胁的肢体的相对姿势[4][5]，以及正确定位外部空间中威胁物体的位置[6]。大脑通过一种多感官表征来处理由看到物体接近或出现在身体附近所生成的视觉输入，以及这些物体与身体接触所产生的躯体感觉输入，这种表征整合了躯体空间及其直接外部区域，通常称为近身空间[7][8][9]。过去的研究反复表明，近身空间对于处理无害的触觉刺激很重要，它允许在身体附近呈现的躯体和非躯体（即视觉）刺激之间进行相互作用（例如，参见[9]）。从神经生物学角度来看，有证据表明，近身空间的感知和表征是由能够响应触觉和非躯体（即视觉和听觉）刺激的多模态神经元支持的[10][11][12]。特别是，这些神经元将覆盖特定身体部位的躯体感觉感受野与空间上锚定在同一身体部位的非躯体感觉感受野联系起来[13]。然而，尽管这些神经元几乎都是针对触觉进行研究的，但有人假设，除了优化无害物体的操纵外，近身表征还塑造了对物理威胁性和潜在有害刺激的防御反应[14]，这突显了它们在痛觉和疼痛背景下的潜在作用。确实有一些针对非人类灵长类的研究表明，下顶叶存在一些神经元，它们会对施加在动物皮肤上的热痛觉刺激以及接近刺激皮肤区域的视觉刺激做出反应[15][16]。关键的是，最近的研究表明，将无害强度的热刺激与视觉刺激结合可以显著增强这些神经元的反应，并提高热刺激引发通常只有在有害热刺激强度下才会出现的防御反应的概率[15]。因此，假设这种类型的神经元可能构成了对身体及其附近空间的扩展神经表征的基础，而不仅仅是关于躯体和非躯体刺激接近度的低级视觉反馈。

引言：疼痛是一种与实际或潜在组织损伤相关的不愉快感官和情绪体验。疼痛通常由薄髓鞘Aδ纤维和无髓鞘C纤维的激活产生[1]，它对生存具有重要的功能，因为它预示着身体损伤的临近。除了这种内感受功能[2]外，疼痛还具有外感受功能，因为它提供了可能对身体造成伤害的外部刺激的信息[3]，从而触发保护或恢复身体物理完整性的行为。为了适应我们的行为并对潜在威胁作出适当反应，不仅需要检测和定位皮肤表面的痛觉刺激，还需要整合暴露于威胁的肢体的相对姿势[4][5]，并正确定位外部空间中威胁物体的位置[6]。大脑通过一种多感官表征来处理由看到物体接近或出现在身体附近所产生的视觉输入，以及这些物体与身体接触所产生的躯体感觉输入，这种表征整合了躯体空间及其直接外部区域，通常称为近身空间[7][8][9]。过去的研究一再表明，近身空间对于处理无害的触觉刺激非常重要，它允许在身体附近呈现的躯体和非躯体（即视觉）刺激之间进行相互作用（摘要见[9]）。从神经生物学角度来看，有证据表明，近身空间的感知和表征是由能够响应触觉和非躯体（即视觉和听觉）刺激的多模态神经元支持的[10][11][12]。特别是，这些神经元将覆盖特定身体部位的躯体感觉感受野与空间上锚定在同一身体部位的非躯体感觉感受野联系起来[13]。然而，尽管这些神经元主要是针对触觉进行研究的，但有人假设，除了优化无害物体的操纵外，近身表征还塑造了对物理威胁性和潜在有害刺激的防御反应[14]，这也突显了它们在痛觉和疼痛背景下的潜在作用。确实有一些针对非人类灵长类的研究表明，下顶叶存在一些神经元，它们会对施加在动物皮肤上的热痛觉刺激以及接近刺激皮肤区域的视觉刺激做出反应[15][16]。重要的是，最近的研究表明，将无害强度的热刺激与视觉刺激结合可以显著增强这些神经元的反应，并提高热刺激引发通常只有在有害热刺激强度下才会出现的防御反应的概率[15]。因此，假设这种类型的神经元可能构成了涉及检测和对物理威胁作出反应的扩展神经表征的基础。在人类中，一系列研究表明，在面部周围的空间内看到刺激可以调节皮层下水平的防御性反射反应，例如眨眼反射[17][18][19]，这强调了近身表征的潜在防御作用。此外，还有一些最近的人体行为研究结果表明，视觉刺激与特异性激活皮肤痛觉感受器的刺激之间的相互作用主要发生在近身空间内，这表明近身参考框架参与了痛觉刺激的处理。例如，一个接近或出现在施加痛觉刺激的手附近的视觉刺激有助于其检测和对该刺激的反应[20][21][22]。也有证据表明，痛觉刺激有助于感知发生在身体附近的视觉刺激[23][24][25][26][27]。这些后者的研究使用了时间顺序判断（TOJ）任务，参与者需要判断两个侧化的（即左侧和右侧）视觉刺激的时间顺序，这些视觉刺激以快速的时间顺序呈现，并一致地表明，视觉TOJ受到在视觉目标之前短暂施加的单侧痛觉刺激的影响。具体来说，传递到一只手上的与任务无关的痛觉刺激会将空间注意力偏向其位置，从而有助于处理在同一侧空间中呈现的视觉刺激。重要的是，视觉-痛觉相互作用主要受空间接近性的调节，当视觉刺激出现在手的近身空间时这种相互作用尤为明显。事实上，当视觉刺激远离施加痛觉刺激的手时，这些相互作用明显较弱。虽然这些研究表明痛觉刺激可以影响附近视觉目标的感知和处理，但也有人报告了相反的模式。De Paepe及其同事发现，痛觉TOJ受到之前出现的侧化视觉刺激的影响，特别是当视觉和痛觉刺激彼此靠近呈现时[28][29][30]。此外，还有研究表明，阻止看到受刺激的手可以减弱这种视觉-痛觉相互作用的强度[26]，这表明关于受刺激身体部位与视觉刺激之间空间接近度的视觉反馈可能是躯体感觉和非躯体感觉刺激之间相互作用发生的重要因素。本研究旨在研究在视觉反馈不匹配的情况下的视觉-痛觉相互作用，即当视觉系统提供的反馈表明视觉刺激位于施加痛觉刺激的手的实际位置更远的地方，就像是从外部空间呈现的一样。这种不匹配可以通过只允许间接观察视觉刺激来创造，这些视觉刺激实际上靠近参与者的手，但在他们面前的镜子中表现为远距离的反射，而直接看到手和视觉刺激是被遮挡的。在这种情况下，视觉刺激在视觉上被投射到镜子之外的位置，即远离手的实际位置。过去，Maravita等人[31]使用过这种实验程序，他们表明，尽管存在不匹配，视觉和触觉之间的相互作用仍然可以观察到，这表明视觉刺激被重新编码为具有手的近身空间中的真实来源。因此，这种实验程序可以用来测试痛觉刺激与附近视觉刺激之间的相互作用是因为关于它们在外部空间接近度的低级视觉反馈，还是因为它们依赖于更高层次的、即近身的手及其附近区域的表征，正如视觉-触觉相互作用中所显示的那样。

在目前的研究中，三个不同的实验中使用了由侧化痛觉提示[23][24][25][26][27]引导的视觉刺激的时间顺序判断（TOJ），并结合了Maravita等人[31]类似的实验设置。在实验1中，比较了两种情况：一种情况是视觉刺激靠近受刺激的手，但只能通过镜子中的远距离反射间接看到；另一种情况是视觉刺激实际上远离被遮挡的手，但在光学距离上与镜子条件中的视觉刺激投射相似。我们假设，如果尽管视觉上感觉视觉刺激远离手的实际位置，但它们被重新编码为具有靠近受刺激手的近身来源，那么在镜子条件下由施加在手上的侧化痛觉刺激引起的感知偏差应该比视觉刺激实际远离手的情况更明显。在实验2中，将镜子条件下的视觉-痛觉相互作用与直接看到手旁的视觉刺激的情况进行了比较，以及将视觉刺激贴在镜子上的情况（即远离手，但在镜子中看起来靠近参与者的手反射的情况）进行了比较。如果视觉刺激确实被重新编码为具有靠近手的近身来源，即决定视觉-痛觉相互作用的不仅仅是关于看到手附近的视觉反馈，我们假设：1）只有间接看到受刺激的手和视觉刺激的镜子条件与直接看到手和视觉刺激的条件之间没有显著差异；2）与只有视觉刺激贴在镜子上的条件相比，镜子条件下的痛觉诱导偏差显著更大。实验3通过将镜子条件和远距离条件与将在远离受刺激的手旁边的虚拟手放置的条件进行比较，进一步控制了实验1中的潜在混淆因素。我们假设，如果仅仅是因为看到手在视觉刺激旁边这一事实不能解释镜子条件和远距离条件之间的差异，那么我们应该观察到远距离条件与虚拟手条件之间没有显著差异，而两者都应该与看到受刺激的手和附近视觉刺激作为镜子反射的条件不同。

参与者：共有20名参与者参与了实验。有1名参与者因无法确定实验所需的痛觉刺激特征而被排除在统计分析之外。其余19名参与者（13名女性，6名男性）年龄在19至40岁之间（平均年龄=22.11岁，标准差=4.43岁）。参与者的视力均为正常矫正后的视力。排除标准包括神经系统、精神疾病、心脏问题或慢性疼痛问题，以及过去6个月内上肢的创伤性损伤。

痛觉刺激的强度：施加在左手中的痛觉刺激的最大强度的平均值（±标准差）为0.28±0.11 mA，施加在右手上的刺激为0.27±0.07 mA；两者之间没有显著差异（t(18)= 0.357, p= 0.725, d= 0.07）。这些值处于能够选择性激活Aδ痛觉感受器而不同时激活Aβ机械感受器的强度范围内[35][36][37]。自我报告的NRS值在两组之间没有显著差异。讨论部分指出，先前的文献表明，当痛觉刺激和视觉刺激被同时呈现且彼此距离较近时，它们之间存在感知上的相互作用[24][25][26][27][28][29][30]，这表明痛觉刺激可以在身体及其周围环境的多感官表征中被处理。本研究旨在尽量减少视觉刺激和痛觉刺激之间仅因低级视觉反馈而产生相互作用的可能性。

伦理批准：实验程序已获得当地伦理委员会的批准，具体为Saint-Luc医院与鲁汶大学（UCLouvain）的生物医学伦理委员会（Commission d’éthique biomédicale hospito-facultaire）的认可。

资助：AK和VL获得了比利时法语社区科学研究基金会（F.R.S.-FNRS）的资助。

利益冲突：作者们声明没有与本文内容相关的利益冲突。

参与同意：所有参与者在开始实验前均签署了同意书。

出版同意：不适用。

作者贡献声明：
Lieve Filbrich：写作——审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法论、数据采集、概念化。
Marie Goffaux：写作——审稿与编辑、可视化、数据采集、形式分析。
Valéry Legrain：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、资金筹集、形式分析。

利益冲突声明：作者确认他们没有任何与本研究相关的财务或非财务利益。

作者名单：
Avgustina Kuzminova | Valéry Legrain | Marie Goffaux | Lieve Filbrich