触觉运动感知中时空信息交互机制的揭示：从各向异性偏见到非线性速度编码

《Scientific Reports》：Unveiling interactions of spatial-temporal information in tactile motion perception

本研究针对触觉运动感知中时空特征交互机制不清的问题，通过心理物理学实验结合定量建模，揭示了指尖方向感知的象限依赖性各向异性扭曲规律，并发现空间特征（如刺激球波长）主要影响系统性偏差，而时间特征（如扫描速度）调制非系统性偏差的动态表达。进一步提出高斯分布心理测量函数，阐明触觉速度感知的非线性整合机制，为理解多模态感觉整合提供了新视角。论文发表于《Scientific Reports》，对触觉神经编码理论与人机交互技术发展具有重要意义。

　　

当我们用手指轻轻滑过丝绸表面时，大脑能瞬间分辨出材质的顺滑方向；当盲人通过触觉阅读盲文时，指尖的微小移动即可传递复杂的空间信息。这种看似简单的触觉运动感知，实则依赖大脑对时空信息的高效整合。然而，尽管已知触觉感知依赖主动探索，空间（如纹理波长）与时间（如运动速度）特征如何协同塑造运动感知，仍是未解之谜。例如，为何人们常误判斜向运动的方向？为何粗糙表面似乎比光滑表面移动更慢？这些问题背后，隐藏着触觉系统处理时空信息的核心机制。

为破解这一难题，浙江大学团队在《Scientific Reports》发表研究，通过精巧的心理物理学实验设计，首次系统揭示了触觉运动感知中时空特征的交互规律。研究者发现，指尖方向感知存在象限依赖的各向异性扭曲，且速度感知遵循非线性编码原则。这些发现不仅深化了对触觉神经计算机制的理解，也为触觉假肢、虚拟现实等技术的优化提供了理论依据。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先，利用自主设计的三自由度球体刺激器（lab-designed ball stimulator），在健康参与者（n=33）的左手食指远端指垫施加可控方向（0°–360°）、速度（20–320 mm/s）及空间频率（1–4 mm波长）的触觉运动刺激；其次，通过触控板（Wacom PTH-660）记录参与者右手绘制的运动轨迹，量化感知方向与速度；最后，结合线性模型与高斯分布心理测量函数（Gaussian distribution-based psychometric function）分析时空特征的交互效应。实验设计涵盖全方向对称性检测（Experiment I）与速度整合机制探索（Experiment II），数据经MATLAB处理并采用重复测量方差分析（ANOVA）及线性混合效应模型验证统计显著性。

各向异性扭曲在触觉运动方向感知中的表现

通过分析24个运动方向的感知偏差（B_d），研究发现方向感知存在系统性顺时针偏移（平均B_s≈ -16.5°），且扭曲程度呈现象限依赖性：第一象限（Q1，右上）和第三象限（Q3，左下）的偏差显著大于第二象限（Q2，左上）和第四象限（Q4，右下）（F_(3,48)=9.004, p<0.0001）。

值得注意的是，刺激速度（40 mm/s vs. 240 mm/s）未改变各向异性模式（F_(1,16)=0.034, p=0.857），但相反方向（如0°与180°）的偏差呈显著正相关（r=0.679, p=0.02），提示感知系统存在中心对称性。补充实验进一步证实该模式与利手或装置朝向无关。

速度与空间频率对触觉运动方向感知的作用

在考察时空特征交互的Experiment II中，空间特征（刺激球波长）主要影响系统性偏差（B_s），其中1-mm波长球的偏差显著大于4-mm球（p=0.011）；而时间特征（速度）则调制非系统性偏差（B_ns）的振幅（A）与相位（θ_p）。高速组（160–320 mm/s）的B_ns振幅显著高于低速组（20–80 mm/s）（18.21° vs. 15.98°, p=0.009），且相位随速度增加而偏移（F_(5,75)=7.518, p<0.0001）。

这一结果明确揭示了空间特征决定感知偏差的整体模式，而时间特征调控其动态表达。

速度与空间特征对触觉运动速度感知的影响

触觉速度感知显著受空间频率调节（F_(3,45)=29.236, p<0.001），1-mm与2-mm波长球引发的归一化感知速度高于3-mm与4-mm球，且后两者曲线几乎重合，表明空间特征的作用存在阈值（约3-mm）。

线性模型虽拟合度较高（R2>0.94），但高斯心理测量函数（R2≈0.98）更优，其揭示速度感知包含三个阶段：低速近似线性增长、中速（约90 mm/s）敏感度峰值及高速饱和，凸显非线性整合机制。

结论与意义

本研究通过量化触觉运动感知的时空交互机制，发现方向感知的象限依赖性各向异性与中心对称性，并阐明空间特征主导系统性偏差、时间特征调制非系统性偏差的分离作用。此外，提出的高斯心理测量函数为触觉速度感知的非线性编码提供了计算框架。这些发现挑战了传统线性编码模型，强调触觉系统通过异构通路整合时空信息：粗纹理（如3-mm以上波长）依赖振动信号的低级处理，而细纹理（如1-mm波长）涉及特征追踪的高级机制。这一成果不仅弥补了触觉与视觉运动感知理论间的鸿沟，还为开发更自然的触觉交互设备（如神经假体、虚拟现实控制器）奠定了理论基础。未来结合神经成像技术，有望进一步揭示时空整合的皮层环路机制。