2026年大腦獎公布 | 為何一次觸碰，能抵萬千語言？

導讀

2026年“The Brain Prize”授予大衛·金蒂（David Ginty）和帕特里克·恩福斯（Patrik Ernfors），以表彰他們在體感細胞結構研究方面的開創性工作。他們揭示了神經系統如何檢測并處理觸覺和疼痛等刺激。

評選委員會主席安德烈亞斯·邁耶－林登伯格（Andreas Meyer-Lindenberg）教授解釋了今年授獎的理由：

“體感系統決定了身體的完整性，也界定了身體與外部世界之間的邊界，因此對我們形成身體自我感以及與周圍環境互動至關重要。人類能夠感知和理解觸覺、疼痛、瘙癢和溫度，依賴于極其多樣的外周感覺神經元、支持細胞，以及在脊髓和腦干中精確組織的神經回路。幾十年來，這一領域一直缺乏對幾個關鍵問題的清晰認識：究竟存在多少種不同類型的感覺神經元，它們的外周末梢結構是怎樣形成的，它們產生的信號又是如何被處理并傳遞到中樞神經系統的。

帕特里克·恩福斯和大衛·金蒂通過揭示體感系統的細胞基本構成以及其組織的神經學原理，徹底改變了我們對這一系統的理解。他們發現并系統分類了不同類型的感覺神經元，將這些神經元與特定的感覺末端器官和神經通路對應起來，并開發出一系列被廣泛使用的遺傳學和分子生物學研究工具。他們的工作為理解正常觸覺建立了清晰的研究框架，也使科學家能夠更準確地找出在慢性疼痛以及與神經系統疾病相關的感覺過敏或感覺減弱等問題中究竟出現了哪些異常?！?/p>

本文為Quanta Magazine對大衛·金蒂的深度報道，歡迎閱讀。

就像許多為人父母者那樣，大衛·金蒂（David Ginty）在辦公室里掛滿了他“基因創作”的照片：有的渾身帶刺、戴著鉚釘項圈，有的揮舞著套索夢想成為一位牛仔，有的反應過度、極易被激怒，有的心思細膩，有的則是父母最引以為傲的“金童”。

“它們就像一個家庭?！彼f，“每個都有自己的特點和個性?！?/p>

不過，它們并不是真正的家庭成員，也不是他的孩子。它們歷經數百萬年演化而來，賦予人類和其他哺乳動物與物理世界互動的能力。作為哈佛醫學院神經生物學系的負責人，金蒂二十多年來一直專注于這些感知觸覺的神經元。他比任何人都更了解它們：他掌握了它們的電信號語言，明白了它們對哪些力量有反應，并繪制了它們從皮膚深入大腦的復雜路徑。他通過基因工程和化學標記技術，讓這些“角色”的彩色畫像得以呈現在辦公室墻上。

“大衛·金蒂就是觸覺之皇?！泵绹鴩⑿l生研究院的感覺神經科學家亞歷山大·切斯勒（ Alexander Chesler）這樣評價。

“看到他的發表論文列表，你只能驚呼‘老天啊’?！备窭垢绱髮W的神經解剖學家大衛·休斯（David Hughes）說，“他太高產了，而且所有論文都是發在頂級期刊上?！?/p>

除了那些寫進教科書的技術突破和科學發現，真正讓同事們印象最深刻的是那些（由金蒂）繪制出的觸覺神經元的圖像。它們看起來仿佛來自深海世界，完全不像我們以為的神經元會是的樣子。這些形態奇特的細胞，就是觸覺體驗如此豐富多樣的原因——為什么手機振動會不同于微風拂面、愛人的輕撫、雨滴落在肩上或母愛之吻。意識到你的身體到處都分布著這些細胞——它們就是你的一部分——讓人驚嘆不已。

“每一個神經元都在講述一個故事，”金蒂說，“它們的結構各不相同，反應的刺激也不同。這正是‘結構決定功能’的體現，這種精妙正是它們的美麗所在?！?/p>

- David Ginty -

觸覺全景

幾個世紀以來，科學家和哲學家都對觸覺充滿了興趣。亞里士多德認為人類的觸覺能力遠超其他物種，這也是人類智力更高的一部分原因。然而如今我們知道，從海獅、蜘蛛到星鼻鼴鼠的生物，都能感知到我們察覺不到的物理世界特征。盡管如此，亞里士多德將觸覺視為獨特的觀點并非毫無道理。

在所有感官中，軀體感覺系統是最復雜的，因此有研究者認為觸覺是最難研究的感官。比如視覺和聽覺，其感受器分別集中在視網膜和耳蝸——一個只有郵票大小，另一個不過豌豆大小。而觸覺則分布廣泛：傳遞觸覺信號的神經元聚集在脊髓外的神經節中，它們像水母觸手一樣，將長長的軸突纖維延伸到皮膚和內臟器官中。每根軸突在皮膚表層下方形成一個末梢結構，這些末梢各有不同，是用來接收并解析不同類型觸覺刺激的機制。

我們的眼睛和耳朵分別處理光和聲音，而觸覺卻涉及一個“感官大拼盤”：戳、拉、吹、撫摸、振動，還有各種溫度和化學刺激，比如辣椒中的辣椒素或薄荷中的薄荷醇。這些輸入形成了壓力、疼痛、瘙癢、柔軟與堅硬、冷熱感，以及身體在空間中的定位感等多樣的觸覺感知。

那么，這一切是如何實現的呢？19世紀的解剖學家們提供了第一個線索。他們在顯微鏡下觀察尸體皮膚時，發現組織中有一些奇怪的結構。有的扁平如薄餅，有的像洋蔥、紡錘，或是一團團的線球。因為這些結構與神經有聯系，解剖學家便推測它們是觸覺感受器。

到了20世紀，生理學家們證實了早期解剖學家的猜想。他們使用細小的電極，能夠“竊聽”單個神經元之間的電信號交流。然后，通過各種不同的觸覺刺激——比如用針尖或鉛筆橡皮戳人或動物的皮膚——他們可以判斷該神經元對哪些刺激有反應，以及它在身體的哪個部位檢測到這些刺激。在動物實驗中，研究者甚至可以剖開感受區域的皮膚，觀察那里的結構，并將神經元與其軸突末端在皮膚中形成的結構一一對應起來。

金蒂實驗室利用基因工具與抗體染色技術，繪制出了觸覺神經元的熒光圖。從左上角順時針方向依次為：帕奇尼小體感應地面震動；披針形末梢環繞毛發以探測其偏轉；梅克爾細胞（紅色）圍繞毛發軸（綠色）識別輕微按壓；克勞斯小體則能感知性接觸的振動；靠近骨頭的三個帕奇尼小體；梅克爾細胞（藍色）。

Courtesy of David Ginty

這些神經末梢的專屬性令人驚嘆?？拷つw表面的扁平結構叫作梅克爾細胞復合體（Merkel cell complex），能感應輕微壓凹。你的嘴唇和指尖中大量分布著這些細胞，使你能夠感知物體的形狀與質地。你的手指還布滿了螺旋狀神經末梢，稱為邁斯納小體（Meissner corpuscles），它們像球狀團塊一樣纏繞在支持細胞周圍。這些感受器可探測極其細微的振動，比如當物體輕微滑動時產生的摩擦，幫助你精準使用工具。皮膚更深層處則藏著洋蔥狀的帕奇尼小體（Pacinian corpuscles），它們能探測地面震動；還有梭形的魯菲尼末梢（Ruffini endings），則負責傳遞皮膚被拉伸的信息。

通過電極記錄，這些生理學家根據神經纖維的大小、放電模式與傳導速度，識別出了15種以上的觸覺神經元類型。然而，觸覺世界的全貌仍遠未揭示清楚：這些神經元到底分布到哪里？在那兒又執行什么任務？像梅克爾復合體這樣體積較大的神經末梢容易觀察（大小約如一粒鹽），但絕大多數神經末端在當時的技術條件下都太小，無法清晰分辨。雖然研究人員可以用組織染色追蹤它們在皮膚中的走向，但無法區分它們之間的差異。

“那簡直是一片叢林。”金蒂說，“在同一塊皮膚區域，可能有12到15種神經元類型共存，但你完全分辨不出誰是誰，因為它們只是密密麻麻的一堆軸突?！睘榱私鉀Q這個謎團，技術與創意的完美結合足足等了半個世紀。

毛發問題

金蒂今年剛過60歲，但你從和他交談中很難看出他的年齡。當談起那些支配皮膚的神經元時，他充滿孩童般的熱情，仿佛剛剛才發現它們——盡管實際上，自1995年在約翰·霍普金斯大學創立實驗室以來，他幾乎每天都在思考這些神經元。

“他其實非常有趣又輕松隨和?！崩浊袪枴の譅柗蛏≧achel Wolfson）說。她曾是金蒂的博士后研究員，現在也在哈佛醫學院領導自己的實驗室?！八洺Ｒ贿吂ぷ饕贿叴悼谏??！边@并不意味著他心不在焉——相反，他將自己的好奇心與驚奇感高度集中在研究中，這種專注力使他能牢牢把握住最核心的問題。只要你向他提出一個難題，他總能想出最完美的實驗來解決它。

當金蒂決定投身觸覺神經科學領域時，他最初想要了解感覺神經元是如何發育的。但他很快意識到，自己根本不知道這些“尚未成熟”的神經元最終會發展成什么樣子——它們在成熟動物體內會形成怎樣的回路與終末結構。要找到答案，他需要一種辦法，能夠逐一可視化每一種神經元類型。

很快，基因工程技術給了他解決問題的鑰匙。在研究神經元發育的頭十年中，金蒂收集了一整套能識別不同觸覺神經元類型的特異性基因。從2007年起，他開始基因改造小鼠以控制特定的觸覺神經元。在這些新鼠品系中，研究人員可以用各種辦法控制某一類觸覺神經元——例如，用化學標簽使其發出熒光，或者用光來激活或關閉其功能。

切斯勒表示，這些研究帶來的影響如同你本來只能聽一首交響樂，而現在卻能看到演奏的每一件樂器，還能親手去演奏它們。每一個小鼠品系就像為樂隊的某個部分打上一道聚光燈——弦樂、木管、銅管、打擊樂各自清晰可見。“你可以拿起小提琴看看它怎么運作。”切斯勒說，“你還可以調音，或改造這把樂器，看看會對音樂造成什么影響?！?/p>

在獲得這些新型小鼠品系后，金蒂最先研究的目標是有毛皮膚這一“地下世界”。相較之下，無毛皮膚研究較為充分，因為其中密集分布著我們熟知的觸覺結構，如梅克爾復合體和邁斯納小體。而對那些讓我們感知毛發彎曲或拉拽時所依賴的神經結構，人們卻知之甚少。

盡管我們通常會覺得皮膚是平滑的，實際上，除了手掌、腳底、嘴唇、乳頭和部分生殖器區域，其余大部分身體都覆蓋著毛發。其中，絨毛細軟且顏色較淺，能幫助汗液蒸發降溫；保護毛則較粗，能防止摩擦和抓撓帶來的傷害。金蒂發現，不同類型的毛發本身也都是“觸覺感受器”。

皮膚中主要的感覺感受器

Created with BioRender

制圖：神經現實

他的團隊利用小鼠品系和其他基因工程手段，給三類已知對輕觸敏感、但末梢結構尚未明晰的感覺神經元打上熒光標簽。借助顯微鏡，這些神經元在小鼠有毛背部的皮膚中如霓虹燈般發出紅綠熒光，末梢結構清晰可見。研究人員觀察到一種梳狀結構，像王冠一樣環繞毛囊。他們將這種結構命名為披針形末梢，因為其尖端呈披針狀收束。

令人驚訝的是，這三種神經元都能形成披針形末梢，但各自負責不同類型的毛發。小鼠的毛發分為三類：保護毛，以及類似人類絨毛的錐形毛和鋸齒毛。金蒂的團隊發現，粗大、傳導速度快的神經元會環繞保護毛與鋸齒毛的毛囊，使小鼠能夠迅速辨別觸碰的位置和方式；而纖細、傳導速度較慢的神經元則靶向錐形毛與鋸齒毛。金蒂后來還發現，這些神經元形成的是單側冠狀結構（如同箍冠），可以傳遞毛發被特定方向掃過或拉扯的信息。而錐形毛和鋸齒毛也同樣是感知細膩、傳導緩慢的神經元的作用目標。過去人們認為這些神經元引起瘙癢感，但現在發現它們與愉悅的觸覺感受有關，因此有時也被稱為“撫觸感受器”（caress sensors）。金蒂實驗室最近還發現，這類神經元是狗在被水弄濕時會抖動身子的原因。

金蒂團隊的研究成果于2011年發表，首次揭示了毛發如何帶來如此豐富的觸覺感受?！斑@是一項壯舉。”加州大學伯克利分校的神經科學家戴安娜·包蒂斯塔（ Diana Bautista，未參與該研究）評論道：“這個系統的復雜程度令人震撼：不同類型的神經元以一種優雅而有序的方式支配皮膚。而那些神經元圖像同樣令人驚艷，這就像第一次看到從太空拍攝的地球那樣?！?/p>

美妙振動

金蒂繼續深入繪制皮膚觸覺感受器的詳細地圖。在2015年的一項研究中（當時他的實驗室已遷至哈佛醫學院），他發現了一種新的快速傳導神經元類型，它們像套索一樣纏繞毛囊。1960年代最早發現這些神經元的生理學家曾認為它們是疼痛感受器。但金蒂發現，這些神經元實際上還能感知大面積有毛皮膚（比如手背）上的輕柔摩擦，因此他稱它們為環狀末梢（circumferential endings）。它們擅長偵測緩慢而廣泛的觸摸動作，這一能力來自多達180個“分支”，每個分支分別纏繞一個毛囊。

近年來，他還深入探究了性觸覺（sexual touch）的神經機制。早期解剖學家除了發現梅克爾細胞等結構外，還在外生殖器中觀察到一些形狀類似手部邁斯納小體的球狀結構。這些被稱作克勞斯小體的結構，也存在于嘴唇、乳頭、肛門，甚至眼球和指關節等部位?？茖W家們長期懷疑它們與性有關，但功能尚不明確，一些人甚至猜測它們是溫度感受器。

2024年6月發表的一項研究中，金蒂及其合作者發現，克勞斯小體是由兩種快速傳導神經元的軸突末端組成的。通過激活或剔除小鼠中的這些神經元，研究人員證實它們可誘發性喚起。克勞斯小體與邁斯納小體一樣，對振動高度敏感。金蒂解釋道：“你可能會問，‘為什么是振動？’因為當皮膚摩擦皮膚時，就會產生微小的振動。這些小體非常擅長捕捉這種振動。”克勞斯小體對40到80赫茲的頻率最敏感，這正好是常見震動式成人玩具的工作頻率。

不過，金蒂最鐘愛的觸覺神經元，是形成洋蔥狀小體的帕奇尼神經元。在人類和靈長類動物中，這些小體位于無毛皮膚與有毛皮膚的深層，特別集中在關節附近（在小鼠中則多分布于手腕、踝部與趾骨周圍）。像邁斯納和克勞斯小體一樣，帕奇尼小體也對振動敏感，但它們的靈敏頻率遠高得多——可達1000赫茲。金蒂回憶當初的疑問：“到底什么樣的東西在這樣的頻率范圍內振動？火車的轟鳴？大提琴的回響？還是暴雨的敲擊？”他知道大象的腳和鼻子能感知來自數公里外其他大象的腳步與叫聲，這些部位正密布著帕奇尼小體。他開始懷疑，或許這些小體是“地震感受器”。

為驗證這個假設，金蒂團隊記錄了清醒小鼠中帕奇尼神經元的電信號。當研究人員在小鼠身邊重重敲擊地面時，這些神經元被激活；當他們在數米外敲地，神經元仍然放電；甚至輕輕用手指敲地，也能讓它們響應。

更令人驚訝的是，當研究人員追蹤這些神經元的信號傳入大腦的路徑時發現，它們并未像一般觸覺信號那樣走常規路線——即經腦干傳入丘腦，再到達軀體感覺皮層。相反，正如其團隊在2024年報道的，大多數帕奇尼神經元的信號進入了處理聲音的腦區——下丘腦。

金蒂形容帕奇尼小體為“分布在全身的小型人工耳蝸”。他的團隊還發現，這些小體一旦被激活，大腦對聲音的反應會增強。“機械振動會讓聽覺線索變得更加顯著。”這或許解釋了為什么我們在聽音樂時，常常不僅在內心“感受”到音樂，還能產生強烈的身體共鳴。

萬千瑰麗

在過去五年里，金蒂和其他科學家對成千上萬個單個觸覺神經元進行了遺傳分析。根據這些神經元表達的基因進行分類，金蒂團隊目前已識別出18種不同類型，可能還有更多——由于當前細胞分選技術的分辨率有限，確切數目仍難以確定。這些類型中，包括了他研究重點的六七種“輕觸”神經元，也包括六種響應較強機械刺激的神經元（其中一些還對溫度或化學刺激有反應）、一種專門感知灼熱疼痛的神經元、一種感知寒冷的神經元、三種或更多感知身體位置的神經元，以及一些目前功能仍未知的類型。

隨著更多觸覺神經元被分析，數字很可能還會繼續增加。而且，即使軸突末端結構的不同，這些神經元仍然可以進一步細分。例如，一種能在無毛皮膚中形成邁斯納小體、感應振動的神經元，也可以在有毛皮膚中形成披針形末梢，用于探測毛發移動。在2023年一項研究中，金蒂團隊還發現，這類神經元甚至支配結腸，其軸突在腸道中分支并纏繞運動神經元，使我們能夠感知腸道擴張。因此他總結道，如果同時考慮基因與形態差異的話，“也可以說其實有五六十種不同的觸覺神經元類型。我們并不知道究竟還有多少有待挖掘?！?/p>

金蒂將繼續挖掘它們。如今，他仍在思考那些十多年前就開始追問的基本問題：這些觸覺神經元分別通向何處？它們的末梢結構是什么樣？它們如何捕捉物理世界的豐富性？“我們現在對皮膚中的‘誰是誰’，以及它們的反應特性，已經有了相當清晰的了解?！苯鸬僬f。但心臟、肺、喉、食道、胃、腸、腎這些器官呢？是什么神經元讓肌肉感到酸痛與疲勞、引發偏頭痛，或是在嬰兒吮吸時讓母親的乳房分泌乳汁？

金蒂也想知道，這些神經元如何與大腦連接并生成感知。由數百萬神經末梢感受到的壓力與振動，到底如何成為對“擁抱”的感知？我們又是如何感知濕潤感、滑膩感和彈性的？“想象你在擠壓一個氣球，”他說，“顯然不會只有一種感覺神經元能單獨編碼‘擠壓感’。”

他的研究不僅改變了我們對單一觸覺感受器的認識，也顛覆了我們對其如何傳遞信息的理解。直到最近，經典理論認為觸覺信號像打電話一樣，沿著固定的線路一路傳輸到大腦的軀體感覺皮層，這個大腦區域處理各類感覺信息。“因此，所有觸覺世界中的高級特征都被認為是皮層的‘涌現屬性’?！钡c其他研究者的成果推動了這一理論的范式轉變。現在很明確的是，大量觸覺信息在進入大腦認知區域之前，就已在脊髓和腦干被加工處理，也就是說，觸覺信息的神經生物處理過程比我們過去以為的更早發生。

如果你問金蒂這些知識到底有什么實際用途，他會列出常見應用方向：更好的鎮痛藥、改善自閉癥等感覺處理障礙的治療方法、更逼真的仿生義肢。但真正驅動他前行的，是一種更抽象的動力：敬畏感。他的研究，讓他對這項我們習以為常的感官有了更深的體會——觸覺是如此細膩多維，直至今日它仍時常帶來驚喜。

不久前，他去聽了一場波士頓交響樂團的演出。“我把手指搭在椅子上，閉上眼睛，靜靜感受音樂?！?/p>

作者：Ariel Bleicher

譯者：EY

原文：

https://www.quantamagazine.org/touch-our-most-complex-sense-is-a-landscape-of-cellular-sensors-20250416/