【2022年度“科普中国青年之星创作大赛”】一阵风吹过手心，这种感觉是怎么产生的？

一种奇妙的感觉
小哲和小实在山上看星星。一阵风吹过。
小哲：我悟到一个非常本质的问题！
小实：啊？
小哲：刚刚我闭上眼睛，伸出手，感觉有阵风吹到手上……我在想，这种感觉是怎么产生的？在哪产生的？小实，你是学神经科学的，你们会怎么解释呢。
小实：嗯……你知道神经元吗？
小哲：它们是大脑最基本的组成单位，形状多样，千奇百怪，用显微镜把脑组织放大就能观察到。

图 1 三种不同类型的神经元|图源：Eric R. Kandel, Principles of Neural Science, Fifth Edition, 第25页
注：神经元一般由含有细胞核的胞体、接受信息的树突和传出信息的轴突组成。
小实：没错，我们的大脑里有几百亿神经元。人们每天都要想许多事情，脑子一刻也停不下来。在这背后，让大脑活跃起来的就是神经元的放电。
小哲：放电？
小实：嗯，我们把神经元想象成一间有很多门的屋子，屋内外都有很多带电的离子。关键的地方在于，屋子的门都关着，而门内外这些离子的浓度不相等。所以，如果我们突然把门都打开……
小哲：离子会通过门进出这间屋子，而且门内外离子浓度不相等，那整体上，离子就会有一个流动方向，这样就产生了电流！
电极刺激大脑，他说左手拇指有感觉
小实：没错。神经元的膜上，离子进出的通道开开闭闭，带电离子进进出出，就有了电活动。大脑是个巨大的交响乐团，每个神经元是一个乐手，通过自己独特的放电节奏演奏自己的乐章。现在我们回到一开始的问题。
小哲：风吹到手上的感觉是怎么产生的？
小实：20世纪上半叶，加拿大外科医生怀尔德·潘菲尔德（Wilder Penfield）为了确定病人癫痫病灶的准确位置，在手术时用电极刺激病人大脑的各个区域。结果发现，当电极刺激大脑某个区域时，病人会说身体的某个部位有感觉。

图 2 Penfield在手术中打开、标记的病人大脑（慎点）|图源：https://www.vox.com/science-and-health/2018/1/26/16932476/wilder-penfield-brain-surgery-epilepsy-google-doodle
小哲：不需要身体感受外界刺激，直接刺激大脑就能产生感觉？
小实：没错。
小哲：等下！做手术的时候，病人还说话？
小实：可以啊，手术是局部麻醉的，病人在手术过程中意识清醒，因为颅骨下的脑组织是没有痛觉感受器的。
小哲：他刺激的是哪里？
小实：差不多在这。学术名是初级躯体感觉皮质。
小实一边说，一边用手比划，从左边太阳穴往上，滑过头顶，再往下停在右边太阳穴。

图 3 初级躯体感觉皮质的位置|图源：https://neurosciencenews.com/somatosensory-cortex-restless-leg-8908/
小哲：刺激大脑某个区域，就会产生身体某个部位的感觉？大脑的不同区域对应身体的不同部位？
小实：对，从头顶往下，大致对应的顺序是脚、躯干、手、脸、嘴。就像这张图画的一样。

图 4 感觉功能图谱|图源：骆利群, 神经生物学原理，高等教育出版社，第22页
小哲：这上面嘴和手都好大！
小实：这个大小，反映神经元的数量，也就是大脑分配的计算资源的多少。
小哲：难怪我们的手这么灵巧。
从指尖到大脑
小哲：但是，刚刚那个瞬间，风吹在手上，大脑怎么会知道呢？
小实：我们的皮肤下有许多特化的，可以感受机械压力的细胞，组成机械感受器，常见的有梅克尔细胞（Merkel Cell）、梅氏小体（Meissner corpuscle）……

图 5 共聚焦显微镜下的梅克尔细胞|图源：Eric R. Kandel, Principles of Neural Science, Fifth Edition, 第502页
小哲：先别背书，这些细胞怎么感受机械压力呢？
小实：嗯……这些细胞也能被想象成之前说过的，有很多门的屋子。但它们的门受机械力的刺激才会打开。当皮肤受到压力，这些细胞上离子进出的门打开，带电离子流动，机械力信号就被转换成电信号。
小实：这种神奇的门到底是什么？
小哲：离子通道，一种蛋白质。今年诺贝尔生理或医学奖的获奖者之一，Ardem Patapoutian的主要贡献就是找到机械敏感的离子通道PIEZO。
小哲：那然后呢，感受器产生的电信号怎么传给大脑呢？
小实：靠背根神经节里的感觉神经元。
小哲：背根神经节在哪？
小实：我们后背中央能摸到一节一节的脊椎骨，这些脊椎骨包围，保护着脊髓，背根神经节就附在脊髓上。
小哲：嗯嗯。

图 6 卡哈尔手绘的哺乳动物的背根神经节|图源：大脑之美：圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔绘图集，湖南科学技术出版社，2020年，119页
注：图中整个膨大的结构是背根神经节，黑色的小球是神经元的胞体。
小实：感觉神经元有一个突起，然后朝两个方向延伸。一个伸向身体某个部位，接触机械感受器末端，接收感觉信息；一个伸向脊髓，把接收到的感觉信息传递给脊髓。
小哲：我明白了，这样电信号就能沿着感觉神经元的延伸，从身体的各个部位传递给脊髓，然后传入大脑。
起风了
小哲：我在想象，风吹到我手上的时候，皮肤下的感受器产生电信号，信号被感觉神经元传入脊髓，再传到负责手部感觉的大脑区域。但是……
小实：嗯？
小哲：一个小小的神经元，我们用显微镜可以观察到，它的放电也可以用仪器检测到，这没什么神秘的。而一阵风拂过手心……难以言喻的奇妙，就像大自然温柔地触碰我的灵魂。难以想象，它们之间有直接的联系。
小实：其实还不止呢，现在我们看到的星空、闻到的桂花香、尝到的柚子的味道、还有听到的彼此说话的声音，都和神经元有直接的联系。
又一阵风吹过两人。
参考文献
1.Penfield, W. and E. Boldrey, Somatic motor and sensory representation in the cerebral cortex of man as studied by electrical stimulation. Brain, 1937. 60: p. 389-443.
2.Eric R. Kandel, Principles of Neural Science, Fifth Edition
3.骆利群, 神经生物学原理，高等教育出版社