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牽手給你滿滿悸動?那要感謝皮膚下的神經網絡──《觸覺不思議》

PanSci_96
・2017/06/29 ・2898字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 554 ・八年級
  • 【科科愛看書】我們是如何認識世界的呢?除了眼睛、鼻子、耳朵,我們居然也可以用皮膚來「看」或「聽」!在觸覺的力量下,絨毛毯讓你更安心、熱奶茶讓你變溫暖,這到底是什麼神奇魔法!?踏入《觸覺不思議》的世界,從觸感遊戲、感官實驗及最新研究,重新為你定義感官,讓你大開皮膚界(?)

觸感好難捉摸?看看科學怎麼說

到目前為止,我們都沒有明確定義何謂觸感,在此先為大家進行概念的整理。一般而言,皮膚感覺即稱「觸覺」;相對於此,本書所謂的「觸感」,則偏向指稱經由觸摸而產生的主觀體驗

本書的「觸感」指稱經由觸摸而產生的主觀體驗。圖/By Pixabay @ pexels, CC0 License

老實說,在這個定義下的「觸感」,是科學難以駕馭的對象。重視客觀性的科學,並不善於處理「我所感受到的感覺」這種無法具體呈現的主觀感受。科學處理的是皮膚、神經、大腦、語言表徵、行為等,所有人都能觀察到的外在世界。雖然將主觀量化的心理學法則也日益發達,但主觀的體驗與客觀的科學之間,還是存在著一道無法跨越的藩籬。

科學的觸手之所以不容易伸進觸感的領域,除了因為觸感是主觀的感受,另一項理由就是因為我們所感受到的觸感實在太多樣了。

觸感的生成並非僅來自皮膚的感覺(觸覺),其他的五感(視覺、聽覺、嗅覺、味覺)或甚至語言、記憶等高階認知功能,都會和觸覺結合,生成獨一無二的觸感印象。

觸感的生成並非僅來自皮膚的感覺,其他的五感或甚至語言、記憶等高階認知功能,都會和觸覺結合,生成獨一無二的觸感印象。圖/取自《觸覺不思議

關於這個部分,後續會按部就班地說明,不過在那之前,我們先來看看本文要介紹的──觸感形成的根源「觸覺」的運作機制吧。

即使是單細胞生物的草履蟲,都擁有感知細胞膜受到接觸、溫度變化或化學物質等廣義的觸覺。透過觸覺這種生物史上最早出現的感覺之運作,我們將帶領各位一窺人類認識外界的、這令人驚嘆的系統一隅。

體內體外,感覺其實不太一樣

相較於其他五感,觸覺有幾項獨有的特徵,其中之一是獲得感覺的部位不像眼睛或耳朵,而是分布於全身上下。皮膚的總面積為 1.6 至 1.8 平方公尺(約一張榻榻米大),重量約為三公斤。全身上下的表皮不僅是人體最大器官,更是感受觸覺的界面。

除了皮膚感覺,人類還有另外二種以全身接收的感覺。一種是「胃痛」、「肚子餓」等感受內臟狀態的「內臟感覺」,另一種是感受肌肉、肌腱、關節位置或運動的「本體感覺(深部感覺)」。

由於本體感覺皮膚感覺相互關聯,因此我們平常不太能夠區別這二種感覺,大多體驗為同一種感覺。也因為如此,這二種感覺也被合稱為「體感覺」。

相較於其他五感,觸覺有幾項獨有的特徵,其中之一是獲得感覺的部位不像眼睛或耳朵,而是分布於全身上下。圖/取自《觸覺不思議

問題來了,如果視覺感受的是光,聽覺感受的是聲音,那麼觸覺感受的是什麼呢?

最簡單的概念來說,就是皮膚的變形。說得更明確一點,就是位於皮膚底下末梢神經前端的觸覺感受器,會感受到由壓力或振動所造成的細胞變形。

薄薄一層皮,竟藏著五花八門的觸覺感受器

身體的觸覺感受器依功能不同,可分成數種類型。

最原始的觸覺感受器是「游離神經末梢」,由感覺神經分支而成,廣泛分布在皮膚內。游離神經末梢能夠感受到痛覺、溫度或癢,但也會對外力接觸造成的壓力有反應。尤其是纖細的感覺神經 C 纖維對熱、壓力及化學物質都會有反應,因此又稱「多類型感受器」。這種神經負責的是痛、冷,還有舒適等感覺,目前可知的是,當我們用軟毛刷子緩緩刷過毛髮生長部位的皮膚(亦稱「有毛部」)時,C 纖維便會有所回應。

在游離神經末梢當中,也有一種類型會纏繞著毛根。毛會發揮槓桿般的作用,當有外力接觸到毛的尖端,毛根部的神經就會敏銳地察覺到受力。老鼠的全身幾乎被毛所覆蓋,牠們的毛根部就分布著二種游離神經末梢,和一種較粗的感覺神經,因此可以第一時間察覺任何風吹草動。

其次介紹更高階的觸覺感受器,是一種由粗的感覺神經所傳導,並附著在該神經前端的特殊構造(又稱「機械性受器」)。目前為止已經發現四種類型的感受器,這四種類型有何差異呢?就是主要負責的振動頻率不同。

舉例而言,負責感受形狀凹凸不平、表面的邊緣,或者受到輕輕按壓的壓覺的是「默克細胞」。感覺像拍手這種速度的振動,或是「咻」的滑過去的光滑感,是由「梅斯納氏小體」負責回應。這二種類型又以手指的分布密度最高。

位於皮膚深層的「巴齊尼氏小體」則對更細微的振動,例如砂紙的粗糙感或芒草穗子的顆粒感,會產生敏銳的反應。最後一種「魯斐尼氏末梢」據說對皮膚的牽張有反應,但關於其解剖學上的理解或如何透過神經傳導觸覺刺激的機制,目前仍所知甚少。

身體的觸覺感受器依功能不同,可分成數種類型。圖/取自《觸覺不思議

如果光憑原始的感覺神經(游離神經末梢),即使能夠知道自己正在被觸摸,也無法進一步辨別接觸到的東西是什麼形態,不過有了這四種特別的觸覺感受器,即可鎖定對象的特徵,因此據推測這些應該是在生物演化史上後期才出現的觸覺感受器。

想觸摸世界,只有一種感受器可不夠

我(仲谷)曾在 2014 年與哥倫比亞大學的馬場欣哉博士、艾倫.蘭普金(Ellen A. Lumpkin)博士等人,共同投入一項探討細胞構造的研究,並證實被外力輕壓的訊息會透過神經傳導1。這件事早在 1875 年,就已由德籍解剖學家默克(Friedrich Sigmund Merkel)提出假說,但直到約一百四十年後,才首度獲得科學證實。

前面談論的都是有關皮膚可以察覺到細胞的變形(壓力、振動或滑動)一事,但皮膚底下還有其他可以感受到溫度(冷與熱)的感覺神經。此外,皮膚也有傳導痛、癢的感覺神經,不過我們認為這二種與構成可以感受物體材質的「觸感」的神經是不同的類型,因此在本書所占的篇幅較少。

感受細胞變形的感受器,與感受溫度的感受器──觸覺感受器大致上可以分成這二種。擁有這二種感受器,我們才能感覺到橘子皮的濕潤與顆粒感,或是像絲綢一般涼爽而光滑的感覺,仔細想想,不覺得很奇妙嗎?這種奇妙不僅來自皮膚的感受器,更結合了觸摸的動作,或是觸覺以外的五感等各種要素。

接下來,就一起探索全身上下的觸覺感受器與您自己所感受到的「感覺」之間,究竟存在著什麼奧祕吧。

參考資料:

  1. Maksimovics S, Nakatani M, Baba Y, Nelson AM, Marshall KL, Wellnitz SA, Firozi P, Woo SH, Ranade S, Patapoutian A, Lumpkin EA, Epidermal Merkel cells are mechanosensory cells that tune mammalian touch receptors. Nature, 509(7502):617-21, 2014

 

 

本文摘自《觸覺不思議 : 從觸感遊戲、感官實驗及最新研究,探索你從不知道的觸覺世界》,臉譜出版。


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近視眼的救星,「雷射手術」後看得更清——《科學月刊》

科學月刊_96
・2022/05/14 ・4118字 ・閱讀時間約 8 分鐘
  • 作者/蔣維倫|泛科學 PanSci 專欄作家、故事專欄作家、udn 鳴人堂專欄作家、前國衛院衛生福利政策研究學者。喜歡虎斑、橘子、白底虎斑和三花貓。

Take Home Message

  • 近視是因為角膜或眼球變形,使眼球折射光線能力太強,焦點落在視網膜前方,所以無法獲得清楚的景象。
  • 雷射治療近視以達到減弱折射力為目的,主流術式有雷射原位層狀角膜塑型術(LASIK)和微創角膜透鏡提取術(SMILE)。
  • 經雷射手術後,患者視力可以回到配戴眼鏡前的水準,散光減輕到輕度散光。不過術後最常見的副作用是乾眼症,因此手術前需和專業醫護團隊討論。

你常覺得遠處的景物看不清楚,總是要瞇著眼看東西嗎?這些都是近視的典型症狀。近視通常在 6~14 歲之間出現,多數人於 20 歲後趨向穩定。目前尚未釐清近視出現的原因,但戶外活動時間較長的兒童,近視的風險較低,不過仍不清楚是因為「看比較遠」、「戶外光線」,或「運動量較高」等因素所致。全世界的近視盛行率非常高,在美國,超過四成的人罹患近視,而東亞的一些國家,如臺灣,兒童的近視率甚至達八成以上。

壞掉的攝影機

為什麼會近視?主要是因為眼睛的結構是透過「折射光線、將光聚焦在眼底的視網膜」來獲得清晰的投影輪廓。所以當眼球變形(變扁)或角膜折射光線能力有問題(形狀出錯)時,光線聚焦的焦點會落在視網膜前方(圖一),投影在視網膜時就會呈現模糊的輪廓,無法獲得清楚的景象,此時稱為近視。當你的近視度數愈深,焦點就會距離視網膜愈遠。因此最簡單的改善方式,就是加一塊凹透鏡(眼鏡)來發散光線,進而調整光的路徑,讓光線重新聚焦在視網膜上。

(圖一)近視眼球示意圖。/圖片來源:123RF

切掉一點眼睛如何?雷射治療近視的原理

既然近視是「眼球折射光線的能力太強」,那麼用刀削掉一點眼睛,這樣可行嗎?可以。

如前所述,近視是由於眼球變形或折射力太強,使光線焦點落在視網膜之前。目前無法矯正變形的眼球,因此調整光線折射路徑,就成了最佳的治療方式。而眼球負責折射光線的組織,為最前方的角膜和位置在後方些的水晶體(圖一);而又因為角膜暴露在外,醫師能用刀械直接削除,或是雕塑外型,所以角膜組織就成了外科手術治療近視的最直接選擇。雖然調整水晶體也能改善近視,但較不普遍。

最早,醫生便是利用刀具削去角膜以治療近視。 但需注意,削去眼球結構減弱聚焦能力,進而改善近視,仍不算是「治療」。由於這個方法無法改變眼球的整體形狀,因此眼球變形後,造成視網膜剝離等疾病的風險仍存在。

在雷射技術發明之前,醫師會用層狀角膜重塑術(automated lamellar keratoplasty , ALK)——微型刀械移除角膜組織,達到減弱折射力的目的,這種手術方式約盛行於 1980~1990 年代。直到雷射技術成熟後,才開始應用於治療近視,雷射依原理和發展時程可分為雷射屈光角膜切除術(photorefractive keratectomy , PRK)、雷射原位層狀角膜塑型術(laser-assisted in-situ keratomileusis , LASIK)、微創角膜透鏡提取術(small incision lenticule extraction , SMILE)。

雷射屈光角膜切除術(PRK)

雷射於 1980 年代開始用於治療近視,並逐漸發展出 PRK 術式。PRK 原理是利用雷射能固定能量的焦點、升高局部組織的溫度、進而氣化掉部分角膜最外層的上皮層細胞(epithelium,圖二),達到減少角膜厚度降低折射力的目的(圖三)。

在此技術問世後,PRK 迅速地成為治療近視的首選,但因為要削掉角膜上皮層,同時也氣化了角膜裡的痛、觸覺神經,容易導致術後劇烈疼痛和視力恢復期過長等問題;再加上大面積的傷口直接暴露在外,術後洗頭、洗臉也容易導致感染,所以在新技術出現後,選用 PRK 的患者也逐漸減少。

(圖二)眼球角膜的剖面結構圖。圖片來源/123RF
(圖三)雷射屈光角膜切除術。圖片來源/123RF

雷射原位層狀角膜塑型術(LASIK)

LASIK 為目前雷射治療近視的主要術式之一。為了要減少 PRK 術後疼痛且感染風險高的困擾,科學家思考,是否能改善術式,盡可能地減少暴露在外的傷口呢?在 1990 年代,醫師開始建構另一種術式,也就是現在常聽到的 LASIK。

它所氣化的部分和 PRK 不同,主要是削除角膜裡的基質層(stroma)、盡可能地保留上皮層組織完整性;手術先切出一個類似「C」的傷口、創造並掀開一片角瓣膜(corneal flap),然後以雷射直接氣化、雕塑基質層細胞後再將角瓣膜覆蓋住傷口(圖四)。和 PRK 相比,LASIK 較少暴露於外界的傷口,感染風險較低。

(圖四)雷射原位層狀角膜塑型術。圖片來源/123RF

由於術後恢復期較短且傷口較不會感到疼痛,使 LASIK 逐漸取代 PRK,成為主流術式之一,目前接受 LASIK 的眼球超過數百萬顆以上。

微創角膜透鏡提取術(SMILE)

為什麼要一直改良手術?因為醫學界希望能減少破壞角膜神經、縮小暴露外界的傷口。角膜是布滿神經的組織,能感受細微異物、刺激淚水分泌,達到排除異物、潤滑眼球的功能。神經束從內而外伸出、穿出鮑曼氏膜(Bowman’s membrane)並彎曲近直角、在上皮層細胞和鮑曼氏膜之間形成豐富的神經末梢(圖二)。

從角膜神經的分布可以推測出,最早的 PRK 氣化上皮層細胞的缺點,就是削除了神經末梢,造成傷口大面積的暴露,進而導致術後疼痛。而 LASIK 雖然減少了傷口暴露,但由於切出「C」形狀傷口、創造角膜瓣時,也同時切除了大部分的神經,導致大規模的神經受損,進而使眼睛無法自主分泌淚水,引起嚴重的乾眼症。所以科學家持續地構思新的解決方法。

相較於前兩種術式,SMILE 的歷史最短,它起源於 2002 年德國團隊的想法,直到 2007 年才開始臨床試驗。幾年後術式逐漸成熟,在 2016 年獲得美國許可治療近視,僅一年時間,全球就累積超過 100 萬次手術。

SMILE 使用雷射「可在特定深度聚焦」的優勢,手術分成兩個步驟:首先,聚焦雷射,隔空在角膜的基質層裡切出一個極小的凸透鏡結構;接著,在角膜表面切出約三毫米(mm)的小傷口,取出小透鏡。與 LASIK 須開出「C」形狀的傷口、斷開大部分的神經相比,SMILE 的創口較小,理論上切斷的神經比例較少、乾眼症的機率也較低,所以快速地成為患者主要選擇的術式之一。

雖然 SMILE 為較新的技術,但不能就此認定 SMILE 比 LASIK 更優秀。醫療手術仍須視個人體質、需求、經濟能力等,進行專業的個人考量。

雷射以後,連打靶都比較準了

許多人的工作高度仰賴視覺,軍人就是其中之一。在美國,SMILE 可治療近視和散光。去(2021)年《白內障與屈光手術期刊》(Journal of Cataract & Refractive Surgery)刊出一篇論文,研究 37 名軍人(74 顆眼睛)在 SMILE 術後的短期視力改變 。術前,患者皆有輕至中度的近視或散光,且分別有 10% 和 20% 的患者反應近視困擾了他們的工作和生活狀態。

而在 SMILE 術後的三個月內,約 96% 的眼睛在不戴眼鏡(裸視)的情況下,視力可以達到正常人的標準[註]。而原先生活和工作受到視力問題困擾的患者,全都降為 0%。在感受度調查也發現,約 83% 患者對手術後擁有的視力更加滿意。其中 14 名軍人在手術前後都接受槍法打靶測試,儘管統計結果並無顯示出差異,但手術後的打靶成績稍稍高了些。不過,仍不能認為雷射近視手術使槍法更精準。

[註]正常視力的標準為裸視遠視力(uncorrected distance visual acuity , UDVA),意思是在史奈侖(Snellen)視力表裡,能看到 20/20(對應視力約 1.0)或更小的字。

手術的功效可以維持多久?     

中國上海復旦大學附屬眼耳鼻喉醫院,發表了一系列長期的研究,追蹤接受 SMILE 手術後的患者多年,並討論他們的視力改善。團隊招募了 26 人(26 顆眼睛,皆為單眼接受手術),接受 SMILE 約七年或更久。發現 26 顆眼睛在術後七年的視力,比七年前戴眼鏡時更好!以史奈侖視力表上 20/20 的字母為標準,術前 96% 的眼睛戴眼鏡時可看清楚,術後有 100% 的眼睛在裸視或脫離眼鏡後可看清楚。

而視力表裡更小的一行字(20/16,對應視力約 1.2),術前有 38% 的眼睛戴眼鏡時可看清楚,術後有 73% 的眼睛在裸視或脫離眼鏡後可看清楚。再小一行的字(20/12.5,對應視力約 1.6),有 19% 的眼睛在雷射手術後可辨識清楚;而手術前,所有的眼睛在戴眼鏡後,都無法看清該行字。

換言之,經過近視雷射手術後的患者不僅擺脫了眼鏡,視力還可回到或優於配戴眼鏡前的水準;在散光方面,所有人在術前都有輕至中度不等的散光,而手術七年後,幾乎所有人都減輕為輕度散光。

雷射後會有後遺症嗎?

任何醫療手術都會有副作用,SMILE 最常見的術後副作用是乾眼症。儘管多個研究都認為,SMILE 的乾眼症比例及嚴重度都比 LASIK 少,因為和 LASIK 相比,SMILE 的優勢是創口較小且切斷的神經較少,因此術後保有較多神經,眼睛控制淚腺的能力較佳,乾眼症也較輕微,且恢復期較短。但這不代表不會出現乾眼症,和未接受手術的眼睛相比,SMILE 後眼睛分泌的淚水仍可能比較少。因此術後的自我照護,例如短期內避免感染和定時且長期地使用人工淚液,是雷射治療近視的必要作業。

儘管 SMILE 是安全的手術,且全球已有百萬例手術的經驗,但仍可能有手術中途失誤的情況發生,例如移除雷射切除的部分時,仍有殘存組織遺留在角膜內,或是失誤而切穿角膜上皮組織等。根據統計結果,這些手術中途失誤的發生率總和小於 1%,且似乎和醫護團隊的學習曲線有關,可能新手醫師比較容易發生手術中途失誤。不過,SMILE 令人最有感的副作用應該是金額,價格在十萬以上,並不是能輕鬆負擔的數字。

(圖五)筆者接受 SMILE 後切下來的角膜。LASIK 和 PRK 是直接氣化角膜組織,所以不會有角膜紀念品。圖片來源/作者拍攝
  • 〈本文選自《科學月刊》2022 年 5 月號〉
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