1866年，当时最杰出的美国神经学家S.威尔·米切尔首次发表了他关于幻肢的描述，不是在科学期刊上，而是在《大西洋月刊》上，以一篇匿名短篇小说的形式发表。在他的故事《乔治·德德洛的案例》中，主人公在内战期间因截肢失去了一条手臂。后来，他醒来在医院，他不知道他的双腿也被截肢了。
我突然意识到我的左腿剧烈抽筋。我试图用我唯一的手臂去够它……但是，发现自己太虚弱了，就叫来了一个服务员。请帮我揉一下我的左小腿……
小腿？……伙计，你没有小腿了。它被切掉了。
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一些历史学家推测，米切尔选择在《大西洋月刊》上发表，是为了测试他的同行对幻肢概念的反应。他担心他们不会相信截肢后的手臂和腿还能被感觉到。
事实上，幻肢现象很常见。在这些看不见的附属物中出现可怕的疼痛也很常见。然而，无论是幻肢的原因还是相关的痛苦都没有得到很好的理解。我和我的同事们已经提出了解释，这些解释正在导致对治疗通常难以治愈的疼痛的新研究。这些概念也引发了关于当代心理学和神经科学基本假设的问题。
幻肢最非凡的特征是它对截肢者的真实性。它们生动的感官品质和在空间中的精确定位——尤其是在最初——使肢体看起来如此逼真，以至于患者可能会尝试从床上踩到幻肢的脚上，或者用幻肢的手举起杯子。事实上，幻肢可能看起来比实际的肢体更实在，尤其是在疼痛时。
在大多数情况下，当人坐着或站立时，幻肢手臂会垂直悬挂在身体一侧，但在行走过程中会与其他肢体完美协调地移动——也就是说，它的行为就像正常的肢体一样。同样，幻肢腿在主人坐下时会正常弯曲；当人躺下时它会伸直；在站立时它会直立。
然而，有时截肢者确信肢体被卡在某个不寻常的位置。一个人感觉他的幻肢手臂从肩膀笔直伸出，与身体成直角。因此，每当他经过门口时，他都会侧身而过，以避免撞到墙。另一个人，他的幻肢手臂弯曲在身后，只能腹部或侧睡，因为当他试图仰卧时，幻肢会挡住他的路。
幻肢令人毛骨悚然的真实感通常会被模仿截肢前肢体感觉的感觉所加强。例如，一个人可能会感觉到脚上曾经有的疼痛的溃疡或拇囊炎，甚至手指上戴过的紧绷的戒指。这些人不仅仅是在回忆感觉，而是在以持续体验的全部强度和细节来感受它们。佩戴人工手臂或腿也会增强幻肢的真实感；幻肢通常会像手套一样充满假肢。
幻肢可以产生的广泛感觉也增强了真实感。压力、温暖、寒冷和许多不同类型的疼痛都很常见。幻肢可以感觉湿润（例如，当看到人造脚踩入水坑时）。或者它会发痒，这可能会非常痛苦，尽管抓挠明显的疼痛部位有时实际上可以缓解烦恼。这个人也可能感觉到肢体正在被挠痒痒或感到出汗或刺痛。
自然，在幻肢的所有感觉中，高达70%的截肢者遭受的疼痛是最可怕和最令人不安的。它通常被描述为灼烧、痉挛或射痛，并且从偶尔和轻微到持续和严重不等。它通常在截肢后不久开始，但有时会在数周、数月或数年后出现。一个典型的抱怨是手紧握，手指弯曲在拇指上并挖入掌心，以至于整个手都感到疲倦和酸痛。在腿部，不适感可能感觉像是小腿抽筋。许多患者报告说，他们的脚趾感觉好像被烧红的拨火棍烧灼。
幻肢的最后一个引人注目的特征，进一步加强了真实性，是它们被体验为自身的一部分。也就是说，患者将它们视为身体不可分割的部分。幻肢脚不仅被描述为真实，而且是毫无疑问地属于这个人的。即使脚感觉悬挂在残端下方几英寸的空中，并且与腿部没有连接，它仍然被体验为自身的一部分，并且它会与身体的其他肢体和躯干一起适当地移动。
截肢不是发生幻肢的必要条件。在一些事故中，特别是当骑手从摩托车上被甩出并撞到路面时，肩膀向前扭曲，导致来自手臂的所有神经从脊髓中撕裂，这种情况称为臂丛神经撕脱。由此产生的幻肢占据了现在无用的真实手臂，并且通常与之协调。但是，如果受害者的眼睛闭上，当真实的手臂被其他人移动时，幻肢将保持其原始位置。虽然肉体手臂无法对刺激做出反应，但幻肢通常会非常痛苦。令人遗憾的是，即使手术切除真实的手臂对幻肢或疼痛也没有影响。
同样，截瘫患者——那些脊髓完全断裂，因此在断裂以下身体没有感觉或无法控制的人——通常会有幻肢和其他身体部位，包括生殖器。事故发生后，幻肢可能会与真实的身体分离。例如，一个人可能会感觉到腿抬到胸部或头部以上，即使他或她可以看到腿伸展在路上。但是，后来，幻肢会与身体协调移动，至少在人的眼睛睁开时是这样。一些截瘫患者抱怨说，他们的腿部会持续做自行车运动，产生疼痛的疲劳感，即使患者的实际腿部静止地躺在床上。脊髓麻醉（例如，分娩期间的脊髓阻滞）的患者也报告有幻肢。
对幻肢及其相关疼痛的最古老的解释是，残端中剩余的神经（在切口末端生长成称为神经瘤的结节）会继续产生冲动。这些冲动通过脊髓和丘脑（大脑中的中央中转站）的部分流向皮层的体感区域。这些皮层区域是神经系统经典概念中假定的感觉中心。
基于这种解释，治疗疼痛的尝试旨在阻止冲动在体感投射系统的各个层面上的传递。来自残端的神经已经被切断，通常就在神经瘤上方或根部——当感觉神经分成较小的分支时，它们会在进入脊髓之前出现的小纤维束。脊髓内的通路也被切断，并且最终接收来自肢体的感觉信息的丘脑和皮层区域也被切除。
尽管这些方法可能会提供数月甚至数年的缓解，但疼痛通常会复发。此外，这些程序都不能消除幻肢本身。因此，神经瘤活动本身既不能解释幻肢现象也不能解释痛苦。
一个相关的假设将幻肢的来源从神经瘤转移到脊髓，表明幻肢是由于失去了来自身体的正常感觉输入的脊髓神经元过度、自发地放电引起的。细胞的输出被传输到皮层，就像脊髓神经元接收到外部刺激一样。该提案部分源于 20 世纪 60 年代的研究，该研究表明，在身体的感觉神经被切断后，脊髓中的神经元会自发地产生高水平的电冲动，通常以异常的爆发模式产生。
其他观察结果表明，这种解释是不充分的。脊髓上部完全断裂的截瘫患者有时会感觉到腿部和腹股沟的剧烈疼痛。然而，将这些区域的信息传递到大脑的脊髓神经元起源于断裂水平以下，这意味着这些神经元中产生的任何神经冲动都不会穿过断裂。
最近的研究导致人们提出幻肢可能起源于中枢神经系统中更高的地方——大脑本身。一种假设认为，幻肢是由大脑中体感回路的信号流变化引起的。
例如，当时在多伦多大学的弗雷德里克·A·伦茨观察到一名截瘫患者的丘脑细胞中存在异常高水平的活动和爆发模式，该患者的脊髓在颈部下方完全断裂，但仍遭受身体下半部分的疼痛。事实证明，过度活跃的细胞也会对头部和颈部的触摸做出反应，即使这些细胞位于丘脑区域，该区域通常只对断裂水平以下身体的刺激做出反应。这一发现表明，从头部和颈部投射到丘脑的感觉神经元中，先前未使用但现有的突触上的信号流动解除神经抑制。
体感丘脑或皮层的这种变化可能有助于解释为什么某些感觉会出现在不再存在或无法再向大脑传递信号的肢体中。然而，该系统的改变本身无法解释幻肢及其疼痛。如果这种解释足够，切除受影响的体感皮层或丘脑部分将解决这两个问题。
显然，幻肢的来源比任何这些理论所暗示的要复杂得多。然而，没有提出其他假设。由于我对导致疼痛的大脑机制感兴趣，我多年来一直在思考幻肢和幻肢疼痛的原因，并研究患有这些问题的患者。
自我意识神经矩阵
我和其他人的工作使我得出结论，在很大程度上，幻肢起源于大脑，正如伦茨的工作所表明的那样。但涉及的大脑远不止体感系统。
任何解释都必须解释一个人可以感受到的丰富多样的感觉、幻肢的强烈真实感以及甚至自由漂浮的幻肢都属于自我的信念。我已经提出了这样一个模型。它受到了很好的欢迎，但当然，在评估其价值之前必须对其进行更全面的测试。与此同时，它已经为研究如何阻止幻肢引起的疼痛产生了新的想法。
本质上，我假设大脑包含一个神经矩阵，或神经元网络，除了对感官刺激做出反应外，它还会持续生成一个特征性的脉冲模式，表明身体是完整的且明确属于自己的。我将这种模式称为神经签名。如果这样一个矩阵在没有来自身体外围的感官输入的情况下运作，即使肢体已被移除，也会产生拥有肢体的印象。
为了产生我对幻肢描述的所有特性，该矩阵必须非常广泛，至少包括大脑中的三个主要神经回路。其中一个当然是通过丘脑传递到躯体感觉皮层的经典感觉通路。第二个系统必须包括通过脑干网状结构通往边缘系统的通路，边缘系统对于情绪和动机至关重要。我包括这个回路的部分原因是，我和其他人都注意到，上身脊髓完全断裂的截瘫患者仍然觉得自己还在原来的身体里，他们用与受伤前相同的感情词汇来描述失去神经支配区域的感觉，例如疼痛、愉悦或疲惫。
最后一个系统包括对自我认知和评估感官信号至关重要的皮层区域。该系统的主要部分是顶叶，在对脑损伤患者的研究中，顶叶已被证明对自我感至关重要。
事实上，已知患有一侧顶叶损伤的患者会将自己的一条腿推出病床，因为他们确信这条腿属于陌生人。这种行为表明，受损区域通常会传递一个信号，说：“这是我的身体；它是我的自我的一部分。”
我认为，当来自外围或其他地方的感觉信号到达大脑时，它们会并行地通过这些系统。在分析信号时，有关它们的信息在三个系统之间共享，并转换为综合输出，然后发送到大脑的其他部分。大脑的某个地方会将输出转换为有意识的感知，尽管没有人确切知道导致意识产生的转变发生在何处。
尽管这种描述看起来很动态，但处理过程可能比这还要动态。我进一步提出，当矩阵分析感官信息时，它会将自己的特征神经签名印在输出上。因此，输出不仅携带有关感官输入的信息，还保证感觉发生在自己的身体中。神经签名可以比作管弦乐作品的基本主题。当不同的乐器演奏它们的部分（输入）时，整体声音会发生变化，但产品始终由基本主题（神经签名）塑造，即使其演奏细节发生变化，也能为作品提供连贯性。
基因预置矩阵
一个人的特定神经签名将由矩阵中神经元之间的连接模式决定，即由诸如哪些神经元相互连接以及突触的数量、类型和强度等因素决定。熟悉神经科学的读者会注意到，我对神经矩阵的理解与麦吉尔大学的唐纳德·O·赫布很久以前提出的细胞组合的概念相似。赫布认为，当感觉输入同时激活两个脑细胞时，细胞之间的突触会形成更强的连接。最终，这个过程会产生整个连接的神经元组合，因此进入组合一部分的信号会传播到其余部分，即使该组合跨越了大脑的广阔区域。
然而，我与赫布的不同之处在于，我将神经矩阵视为一个其连接主要不是由经验而是由基因决定的组合。不过，该矩阵稍后可能会被经验塑造，经验会添加或删除、加强或削弱现有的突触。例如，经验将使矩阵存储来自坏疽性溃疡的疼痛记忆，因此可能解释了幻肢中经常出现的相同疼痛。
我认为该矩阵在很大程度上是预先布线的，原因很简单，我的学生和我遇到了许多天生没有手臂或腿的人，但他们仍然体验到生动的幻肢。例如，一位天生膝盖以下没有腿的 32 岁工程师报告说，他的幻肢和小腿仍然栩栩如生，但每周会消失一两次几个小时。他报告说，当它们回来时，他总是很高兴。
同样，苏黎世大学医院的彼得·布鲁格和他的同事描述了一位天生没有前臂和腿的 44 岁女性，她从小就有所有四肢的生动幻肢。在用幻手进行复杂运动时，对她的大脑进行成像 (fMRI) 研究显示，她的前运动皮层和顶叶皮层（一个与我们的自我感密切相关的区域）有活动。在另一项研究中，对感觉运动皮层的经颅磁刺激始终在她对侧的幻手指和手上引起感觉。显然，即使实际肢体从未存在，幻肢的大脑基质也已就位，它们应该存在于那里。
幻肢的强大真实感在一位 11 岁女孩的经典解释中显而易见，她天生没有前臂或手，但有生动的幻手，她解释了自己在学校学习简单算术的方式：她把幻手放在桌子上，用伸出的幻指头数数！
顺便说一下，我应该指出，长期以来人们认为幻肢只发生在六七岁之后截肢时才出现，这种观点是不正确的。我的博士后学生雷内·拉克鲁瓦和我证实了早期的报告，即在一两岁时失去肢体的儿童也会有幻肢。我们还遇到了腿在两岁前就失去的儿童，他们的幻肢也有疼痛感。
因此，在正常情况下，人们体验到的各种感觉品质来自感官输入的变化。这种输入既被分析，又被主要由预先布线的神经矩阵塑造为复杂的感觉和自我体验。然而，即使在没有外部刺激的情况下，通过神经矩阵的其他信号（例如矩阵本身或脊髓中神经元的自发放电或神经瘤产生的信号）也可以产生大致相同的体验范围。无论矩阵的输入来源如何，结果都是相同的：信号在整个矩阵中迅速传播，并感知到位于统一自我内的肢体，即使实际肢体已经消失。
幻肢及其疼痛有时会随着时间推移而消退，这可以用曾经对失去或瘫痪的肢体做出反应的大脑神经元与身体仍然有感觉的部分发展出越来越强的连接，然后开始为这些区域服务来解释。在此过程中，神经签名模式会发生变化，导致幻肢和疼痛发生变化。但幻肢通常不会永远消失。事实上，它们可能会在似乎消失几十年后再次出现，这表明神经矩阵即使经过修改，也永久保留了许多特征。
我的学生安东尼·L·瓦卡里诺、约翰·E·麦肯纳和特伦斯·J·科德雷以及我收集了一些直接证据，支持我的观点，即大脑——以及暗示的神经矩阵——可以自行产生感觉。我们的研究依赖于所谓的福尔马林疼痛测试。
我们向大鼠爪子的皮肤下注射稀释的福尔马林溶液（溶解在水中的甲醛），这会产生疼痛，这种疼痛在注射后的前五分钟内强度迅速上升和下降。（通过舔爪子等行为来评估不适的程度和持续时间。）早期的反应之后是迟发性疼痛，它在注射后约 15 分钟开始，并持续约一个小时。
通过这项测试，我们发现麻醉阻滞爪子可以完全消除迟发性疼痛，但前提是麻醉剂及时给药以防止早期反应。一旦发生早期疼痛，该药物只能部分减少后期的反应。即使在携带疼痛信号的神经被阻断后，疼痛仍然持续的这种观察结果表明，长期疼痛（如幻肢中的疼痛）不仅取决于不适期间的感官刺激，还取决于没有持续引发的大脑过程。
幻肢痛
但到底是什么原因导致幻肢疼痛？最常见的抱怨是灼痛感。这种感觉可能源于肢体到神经矩阵的感觉信号的丢失。如果没有通常的感官刺激，神经矩阵可能会以爆发模式产生高水平的活动，例如 Lenz 在丘脑中观察到的那样。这种信号很可能被转化为灼痛意识。
其他疼痛可能源于神经矩阵试图使肢体像正常一样移动的努力。当肢体在截肢者和截瘫患者身上没有反应时，神经矩阵（其预先布线假定肢体确实可以移动）可能会发出更频繁和更强的消息，敦促肌肉移动肢体。这些输出可能会被感知为痉挛。类似的输出消息也可能被感觉为刺痛。
测试这些想法并探索消除疼痛的新方法的研究仍处于起步阶段，但一些有趣的结果开始出现。对这种治疗的需求是迫切的，不仅因为痛苦可能严重且持续，而且可悲的是，很少有方法是永久有效的。
目前，有许多不同的疗法在使用。用电流、振动器或针灸刺激残肢可以帮助一些截肢者。放松和催眠可以帮助其他人。有些人从通常用于对抗癫痫或抑郁症的药物中获得相当大的缓解，而另一些患者则发现抗抑郁药和麻醉剂（如美沙酮）的组合可以缓解疼痛。但大约一半患有持续性、长期幻肢疼痛的人对任何方法都没有反应。
幻肢痛突显了两种主要疼痛类型之间的差异。第一种是与特定的损伤或疾病相关的疼痛，它会刺激特定的躯体感受器和脊髓通路，直达躯体感觉皮层。第二种是严重的慢性疼痛，其程度通常与损伤或其他病理状况不成比例，并且在愈合完成后仍持续存在。面部神经痛和带状疱疹后神经痛、盆腔和泌尿生殖系统疼痛、大多数背痛和头痛以及纤维肌痛都属于一长串原因不明、药物和治疗均无效的慢性疼痛之列。脊髓完全断裂后，在身体的幻肢部分可能会感受到剧烈疼痛的证据告诉我们，大脑的功能不仅仅是检测和分析感觉输入；即使在没有外部输入的情况下，它也会创造感知体验。我们不需要身体来感受身体，也不需要身体上的损伤来感受疼痛。
将疼痛描绘成一个简单的、直通的神经传输系统（如第55页所示）需要进一步考虑。将信息传输到大脑仅仅代表了疼痛概念框架的第一阶段。第二阶段是神经信息在大脑内转化为有意识体验的更为非凡的过程。勒内·笛卡尔在1664年将这种转变归因于存在于大脑中心部位的非物质的心灵（或灵魂）。在21世纪，科学家面临的挑战是发现第二阶段期间大脑中发生了什么。神经冲动是如何转化为有意识的疼痛体验的？消除幻肢痛和所有其他慢性疼痛的关键在于大脑内部。
由于我的大脑功能模型假设整个神经矩阵都可能导致疼痛，因此该模型还表明，改变躯体感觉系统之外的通路的活动可能很重要，可以单独进行，也可以与其他治疗方法结合使用。一个可以开始研究的地方是边缘系统。直到最近，边缘结构在治疗疼痛的努力中一直被降为次要角色。然而，正如我所提出的，如果边缘系统对神经矩阵的输出有贡献，那么它很可能对幻肢中感受到的疼痛也有贡献。
Vaccarino、McKenna、Coderre 和我所做的工作测试了操纵边缘系统作为缓解疼痛的方法的价值。我们已经表明，在边缘系统的不同区域局部注射利多卡因（一种可阻止神经元传递信号的可卡因衍生物）可以显著减少大鼠身上几种实验性产生的疼痛，包括幻肢痛模型。类似的方法可能适用于缓解人类的幻肢痛，但还需要更多的研究。
幻肢现象不仅仅是对医疗管理的挑战。它也对心理学中的一些基本假设提出了质疑。其中一个假设是，感觉只由刺激产生，而没有刺激时的感知在心理上是不正常的。然而，幻肢，以及幻视和幻听，表明这个概念是错误的。
大脑的身体意象
另一个根深蒂固的假设是，对自身身体的感知来自感觉输入，这些输入在大脑中留下记忆；这些信号的总和构成了身体意象。但是，天生没有肢体或在幼年时期失去肢体的人也存在幻肢，这表明感知身体及其各个部位的神经网络是内置在大脑中的。输入缺失并不能阻止神经网络生成关于缺失身体部位的信息；它们会在一生中继续产生此类信息。
简而言之，如果我们假设身体向被动接收的大脑发送感觉信息，那么幻肢就是一个谜。一旦我们认识到大脑会产生身体体验，幻肢就会变得可以理解。感觉输入只是调节这种体验；它们不会直接导致这种体验。我希望新一代的科学家能够直接面对大脑，并发现这些事件是如何发生的。
作者
罗纳德·梅尔扎克是麦吉尔大学的心理学荣誉退休教授。他从事疼痛神经生理学研究长达五十年。他在1954年于麦吉尔大学获得心理学博士学位，并在美国和国外进行研究后，于1959年加入麻省理工学院的教职。在那里，他和已故的帕特里克·D·沃尔开始讨论，最终于1965年发表了他们现在著名的疼痛闸门控制理论。梅尔扎克于1963年加入麦吉尔大学的教职。