多刺激位点上的电触觉频率感知不使用赢家通吃机制

《The Journal of Physiology》：Electrotactile frequency perception over multiple stimulation sites does not use a winner-takes-all mechanism

　　

大脑如何从外周传入神经群体中提取振动触觉刺激频率尚不清楚，该群体的传入纤维对纯频率刺激表现出广泛不同的响应模式，包括那些不对每个振动周期都响应的传入纤维，因此具有较低的放电频率。一种假说是基于具有最高或最规则放电频率的外周传入纤维的赢家通吃（winner-takes-all）机制，该机制忽略放电频率较低的传入纤维。研究人员使用高分辨率指尖电极阵列，将一些电极以40赫兹（Hz）激活，另一些以20赫兹（Hz）激活，以研究触觉传入群体输入整合频率信息的机制。12名参与者（n=12）对这些混合频率刺激与标准纯频率进行频率评分。参与者报告感知到混合频率刺激具有统一的整体频率。这种感知频率与刺激中的任何脉冲间间隔都不匹配；相反，它似乎代表了两种呈现频率的加权度量。研究人员的发现补充了先前关于多机械刺激频率平均化的报告，表明整个激活传入群体活动决定了频率感知。频率感知可能基于所有传入纤维的加权平均，这对电神经刺激在感觉反馈中的应用具有重要意义。

## 论文解读：多刺激位点上的电触觉频率感知不使用赢家通吃机制

### 研究背景与问题

触觉振动频率的感知是神经编码研究中的核心问题之一。传统观点认为，振动频率由快速适应传入纤维（fast-adapting afferents, FA）的时序脉冲模式编码，而强度则由群体放电率的整合度量决定。然而，单个传入纤维对正弦振动的响应存在复杂模式：在低于绝对阈值时不产生动作电位；在阈值以上，部分周期可诱发放电（低于1:1放电率）；当振幅达到锁定阈值（entrainment threshold）时，传入纤维以1:1模式（每个振动周期一个脉冲）响应；振幅进一步增加后，可能出现2:1或更高模式。这种响应多样性导致一个关键问题：对于单一纯频率的机械振动，远离刺激探头的传入纤维或具有较高锁定阈值的传入纤维往往以低于1:1的速率放电，其放电率并不反映实际刺激频率。目前流行的假说——赢家通吃（winner-takes-all）机制——认为，感知频率仅基于以1:1或更高模式锁定的传入子集，而忽略低放电率的传入纤维。这一假说看似合理，因为它能解释感知频率的恒常性（即使刺激强度、探头形状等变化导致不同比例的低锁定传入活动）。然而，已有两项研究（Kuroki et al., 2017; McIntyre et al., 2016）使用机械刺激发现，在皮肤两个不同位点施加不同频率时，参与者感知到中间频率，而非其中任一频率，这暗示了加权平均的可能性。但机械刺激产生的皮肤波会传播较远距离，激活远处传入纤维，可能混淆结果；且较大位点间距可能被整合机制视为多源输入，处理方式不同于来自小区域（如单个探头激活区域）的传入活动。为澄清这一问题，研究人员采用高分辨率电极阵列，在单个指尖小面积（约12mm²）内施加多个电刺激，以直接控制不同频率传入群体的比例，测试赢家通吃假说。

### 研究内容与结论

研究人员招募12名健康参与者（7男5女，21-31岁），使用基于ESP32的Arduino可控电刺激器（表面电极阵列，由Kajimoto实验室提供），在指尖施加0.65秒的脉冲序列，其中部分电极以40赫兹（Hz）激活，其余以20赫兹（Hz）激活，改变比例（0%、25%、50%、75%、100%的40Hz电极）。参与者对每组刺激的频率进行主观评分，与标准刺激（28Hz，评分100）比较。控制实验调整脉冲宽度（pulse width, PW）以抵消强度差异，并额外对6名参与者进行机械振动刺激（20Hz和40Hz，40μm和60μm振幅）以验证模态一致性。统计采用双因素方差分析（two-way ANOVA）比较比例、手指等因素的影响。

主要结论：感知频率随40Hz电极比例的增加而逐渐上升，从纯20Hz对应的平均评分76.8（约21.6Hz）到纯40Hz对应的134.4（约38.4Hz），未出现阶梯式突变，表明赢家通吃机制不成立；相反，频率感知由所有激活传入纤维活动的加权度量决定。这一发现与先前机械刺激的多位点频率平均化报告一致，并表明群体活动而非单一高放电率子集主导频率编码，对电神经刺激感觉反馈的应用具有重要启示。

### 关键技术与方法

- **高分辨率电极阵列**：使用Kajimoto实验室提供的表面电极阵列（间距1.75mm），在指尖小面积（约12mm²）内实现多位点电刺激，每个电极独立激活，以控制不同频率传入群体的比例。
- **频率评分任务**：参与者对0.65秒的测试刺激（含20Hz和40Hz脉冲序列）进行主观频率评分，与标准刺激（28Hz，评分100）比较，覆盖所有可能的电极配置（如25% 40Hz有4种配置，各重复3次）以减少位置和接触变异。
- **强度控制**：调整脉冲宽度（PW）以匹配不同频率刺激的感知强度，避免强度混淆（如纯20Hz用230μs，纯40Hz用130μs）；机械刺激控制实验使用40μm和60μm振幅。
- **统计分析**：双因素方差分析（two-way ANOVA）评估比例、手指及模态效应，系数变异比较（coefficient of variation）检验任务难度。

### 研究结果

**1. 机械和电刺激模态评分的相似性（Similarity in rating of mechanical and electrical stimulation modalities）**

通过比较6名参与者在两种模态下对纯20Hz和40Hz刺激的频率评分，双因素方差分析显示模态、强度及交互作用均无显著效应（P>0.05），表明电刺激评分与机械振动评分之间具有可比性，验证了方法的可靠性。

**2. 电刺激的感知频率在不同手指和强度下稳定（Perceived frequency of electrical stimuli was stable across fingers and intensities）**

对统一脉冲宽度（uniform PW）和调整脉冲宽度（adjusted PW）数据分别进行双因素方差分析，比例（ratio）因素解释了约55-56%的总变异（P<0.0001），手指（食指与中指）因素影响可忽略（<0.2%）。混合频率刺激的系数变异（CoV）与相邻纯频率无显著差异（如纯20Hz CoV 0.17 vs 25% 40Hz CoV 0.19，差异95%置信区间包含0），表明参与者能稳定感知统一频率，未因混合刺激而增加判断难度。

**3. 加权平均过程解释多电刺激的频率感知（A weighted averaging process explains frequency perception of multiple electrical stimuli）**

所有参与者的频率评分随40Hz电极比例增加而逐渐升高：纯20Hz评分76.8±8.8（对应21.6Hz），25% 40Hz为101.3±6.5（28.2Hz），50% 40Hz为121.0±12.7（33.9Hz），75% 40Hz为135.7±16.3（37.5Hz），纯40Hz为134.4±16.2（38.4Hz）。变化模式非线性，最大变化出现在从纯20Hz到25% 40Hz（增加约24.5分），随后增幅递减，75% 40Hz与纯40Hz之间差异很小。这一结果不支持赢家通吃机制（即感知频率应锁定于最高或最常见频率），而表明所有传入纤维的加权贡献决定感知频率。

### 讨论与结论

讨论部分首先指出，电刺激可固定传入纤维群体（不受频率影响），而机械刺激会因频率改变传入类型和数量，但两种模态的评分一致性支持存在通用的频率处理机制。研究还发现频率评分独立于强度变化（不同PW），与频率感知基于传入活动时序特性的观点一致。进一步分析表明，感知频率随40Hz比例增加而上升，即使仅一个电极传输40Hz（预期激活至少数个FAI传入纤维），参与者也未感知到40Hz，而是形成中间频率，说明所有传入纤维均参与权重计算。这种加权平均可能优先考虑较高频率成分（反映相对显著性），但整体关系非线性，提示复杂的整合过程。讨论还回顾了单一位点复杂刺激（如和谐波叠加）的研究，其中Horch（1991）发现120Hz与240Hz叠加产生约160Hz感知，Bensmaia & Hollins（2000）发现10Hz与30Hz的相位检测任务支持时序编码，以及Le et al.（2024）发现去除低频成分更易被察觉，均与本研究结果一致：群体活动而非单一高放电率子集决定频率感知。对于多位点整合，研究指出，尽管参与者感知到统一的整体频率，但低层过程可能将频率信号处理为来自多个独立位点，再通过高阶机制整合。最后，结论部分翻译如下：

**结论**
本研究数据表明，通过高密度电极阵列在指尖表面传递的刺激的感知频率由群体活动的加权度量决定，而非赢家通吃机制。可以假设，这一结果源于不同神经过程整合形成的整体感知：频率信号先被处理为来自多个位点，随后高阶机制将这些信息合并为单一统一的频率感觉。一个悬而未决的问题是，对于单个振动机械刺激，频率感知的恒常性似乎得以实现，其中群体活动被归因于单个位点，而以低于1:1锁定模式响应的传入纤维似乎被忽略了。