1866年，當時最傑出的美國神經學家S.威爾·米切爾首次發表了他關於幻肢的描述，不是在科學期刊上，而是在《大西洋月刊》上，以一篇匿名短篇小說的形式發表。在他的故事《喬治·德德洛的案例》中，主人公在內戰期間因截肢失去了一條手臂。後來，他醒來在醫院，他不知道他的雙腿也被截肢了。
我突然意識到我的左腿劇烈抽筋。我試圖用我唯一的手臂去夠它……但是，發現自己太虛弱了，就叫來了一個服務員。請幫我揉一下我的左小腿……
小腿？……夥計，你沒有小腿了。它被切掉了。
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一些歷史學家推測，米切爾選擇在《大西洋月刊》上發表，是為了測試他的同行對幻肢概念的反應。他擔心他們不會相信截肢後的手臂和腿還能被感覺到。
事實上，幻肢現象很常見。在這些看不見的附屬物中出現可怕的疼痛也很常見。然而，無論是幻肢的原因還是相關的痛苦都沒有得到很好的理解。我和我的同事們已經提出瞭解釋，這些解釋正在導致對治療通常難以治癒的疼痛的新研究。這些概念也引發了關於當代心理學和神經科學基本假設的問題。
幻肢最非凡的特徵是它對截肢者的真實性。它們生動的感官品質和在空間中的精確定位——尤其是在最初——使肢體看起來如此逼真，以至於患者可能會嘗試從床上踩到幻肢的腳上，或者用幻肢的手舉起杯子。事實上，幻肢可能看起來比實際的肢體更實在，尤其是在疼痛時。
在大多數情況下，當人坐著或站立時，幻肢手臂會垂直懸掛在身體一側，但在行走過程中會與其他肢體完美協調地移動——也就是說，它的行為就像正常的肢體一樣。同樣，幻肢腿在主人坐下時會正常彎曲；當人躺下時它會伸直；在站立時它會直立。
然而，有時截肢者確信肢體被卡在某個不尋常的位置。一個人感覺他的幻肢手臂從肩膀筆直伸出，與身體成直角。因此，每當他經過門口時，他都會側身而過，以避免撞到牆。另一個人，他的幻肢手臂彎曲在身後，只能腹部或側睡，因為當他試圖仰臥時，幻肢會擋住他的路。
幻肢令人毛骨悚然的真實感通常會被模仿截肢前肢體感覺的感覺所加強。例如，一個人可能會感覺到腳上曾經有的疼痛的潰瘍或拇囊炎，甚至手指上戴過的緊繃的戒指。這些人不僅僅是在回憶感覺，而是在以持續體驗的全部強度和細節來感受它們。佩戴人工手臂或腿也會增強幻肢的真實感；幻肢通常會像手套一樣充滿假肢。
幻肢可以產生的廣泛感覺也增強了真實感。壓力、溫暖、寒冷和許多不同型別的疼痛都很常見。幻肢可以感覺溼潤（例如，當看到人造腳踩入水坑時）。或者它會發癢，這可能會非常痛苦，儘管抓撓明顯的疼痛部位有時實際上可以緩解煩惱。這個人也可能感覺到肢體正在被撓癢癢或感到出汗或刺痛。
自然，在幻肢的所有感覺中，高達70%的截肢者遭受的疼痛是最可怕和最令人不安的。它通常被描述為灼燒、痙攣或射痛，並且從偶爾和輕微到持續和嚴重不等。它通常在截肢後不久開始，但有時會在數週、數月或數年後出現。一個典型的抱怨是手緊握，手指彎曲在拇指上並挖入掌心，以至於整個手都感到疲倦和痠痛。在腿部，不適感可能感覺像是小腿抽筋。許多患者報告說，他們的腳趾感覺好像被燒紅的撥火棍燒灼。
幻肢的最後一個引人注目的特徵，進一步加強了真實性，是它們被體驗為自身的一部分。也就是說，患者將它們視為身體不可分割的部分。幻肢腳不僅被描述為真實，而且是毫無疑問地屬於這個人的。即使腳感覺懸掛在殘端下方几英寸的空中，並且與腿部沒有連線，它仍然被體驗為自身的一部分，並且它會與身體的其他肢體和軀幹一起適當地移動。
截肢不是發生幻肢的必要條件。在一些事故中，特別是當騎手從摩托車上被甩出並撞到路面時，肩膀向前扭曲，導致來自手臂的所有神經從脊髓中撕裂，這種情況稱為臂叢神經撕脫。由此產生的幻肢佔據了現在無用的真實手臂，並且通常與之協調。但是，如果受害者的眼睛閉上，當真實的手臂被其他人移動時，幻肢將保持其原始位置。雖然肉體手臂無法對刺激做出反應，但幻肢通常會非常痛苦。令人遺憾的是，即使手術切除真實的手臂對幻肢或疼痛也沒有影響。
同樣，截癱患者——那些脊髓完全斷裂，因此在斷裂以下身體沒有感覺或無法控制的人——通常會有幻肢和其他身體部位，包括生殖器。事故發生後，幻肢可能會與真實的身體分離。例如，一個人可能會感覺到腿抬到胸部或頭部以上，即使他或她可以看到腿伸展在路上。但是，後來，幻肢會與身體協調移動，至少在人的眼睛睜開時是這樣。一些截癱患者抱怨說，他們的腿部會持續做腳踏車運動，產生疼痛的疲勞感，即使患者的實際腿部靜止地躺在床上。脊髓麻醉（例如，分娩期間的脊髓阻滯）的患者也報告有幻肢。
對幻肢及其相關疼痛的最古老的解釋是，殘端中剩餘的神經（在切口末端生長成稱為神經瘤的結節）會繼續產生衝動。這些衝動透過脊髓和丘腦（大腦中的中央中轉站）的部分流向皮層的體感區域。這些皮層區域是神經系統經典概念中假定的感覺中心。
基於這種解釋，治療疼痛的嘗試旨在阻止衝動在體感投射系統的各個層面上的傳遞。來自殘端的神經已經被切斷，通常就在神經瘤上方或根部——當感覺神經分成較小的分支時，它們會在進入脊髓之前出現的小纖維束。脊髓內的通路也被切斷，並且最終接收來自肢體的感覺資訊的丘腦和皮層區域也被切除。
儘管這些方法可能會提供數月甚至數年的緩解，但疼痛通常會復發。此外，這些程式都不能消除幻肢本身。因此，神經瘤活動本身既不能解釋幻肢現象也不能解釋痛苦。
一個相關的假設將幻肢的來源從神經瘤轉移到脊髓，表明幻肢是由於失去了來自身體的正常感覺輸入的脊髓神經元過度、自發地放電引起的。細胞的輸出被傳輸到皮層，就像脊髓神經元接收到外部刺激一樣。該提案部分源於 20 世紀 60 年代的研究，該研究表明，在身體的感覺神經被切斷後，脊髓中的神經元會自發地產生高水平的電衝動，通常以異常的爆發模式產生。
其他觀察結果表明，這種解釋是不充分的。脊髓上部完全斷裂的截癱患者有時會感覺到腿部和腹股溝的劇烈疼痛。然而，將這些區域的資訊傳遞到大腦的脊髓神經元起源於斷裂水平以下，這意味著這些神經元中產生的任何神經衝動都不會穿過斷裂。
最近的研究導致人們提出幻肢可能起源於中樞神經系統中更高的地方——大腦本身。一種假設認為，幻肢是由大腦中體感迴路的訊號流變化引起的。
例如，當時在多倫多大學的弗雷德里克·A·倫茨觀察到一名截癱患者的丘腦細胞中存在異常高水平的活動和爆發模式，該患者的脊髓在頸部下方完全斷裂，但仍遭受身體下半部分的疼痛。事實證明，過度活躍的細胞也會對頭部和頸部的觸控做出反應，即使這些細胞位於丘腦區域，該區域通常只對斷裂水平以下身體的刺激做出反應。這一發現表明，從頭部和頸部投射到丘腦的感覺神經元中，先前未使用但現有的突觸上的訊號流動解除神經抑制。
體感丘腦或皮層的這種變化可能有助於解釋為什麼某些感覺會出現在不再存在或無法再向大腦傳遞訊號的肢體中。然而，該系統的改變本身無法解釋幻肢及其疼痛。如果這種解釋足夠，切除受影響的體感皮層或丘腦部分將解決這兩個問題。
顯然，幻肢的來源比任何這些理論所暗示的要複雜得多。然而，沒有提出其他假設。由於我對導致疼痛的大腦機制感興趣，我多年來一直在思考幻肢和幻肢疼痛的原因，並研究患有這些問題的患者。
自我意識神經矩陣
我和其他人的工作使我得出結論，在很大程度上，幻肢起源於大腦，正如倫茨的工作所表明的那樣。但涉及的大腦遠不止體感系統。
任何解釋都必須解釋一個人可以感受到的豐富多樣的感覺、幻肢的強烈真實感以及甚至自由漂浮的幻肢都屬於自我的信念。我已經提出了這樣一個模型。它受到了很好的歡迎，但當然，在評估其價值之前必須對其進行更全面的測試。與此同時，它已經為研究如何阻止幻肢引起的疼痛產生了新的想法。
本質上，我假設大腦包含一個神經矩陣，或神經元網路，除了對感官刺激做出反應外，它還會持續生成一個特徵性的脈衝模式，表明身體是完整的且明確屬於自己的。我將這種模式稱為神經簽名。如果這樣一個矩陣在沒有來自身體外圍的感官輸入的情況下運作，即使肢體已被移除，也會產生擁有肢體的印象。
為了產生我對幻肢描述的所有特性，該矩陣必須非常廣泛，至少包括大腦中的三個主要神經迴路。其中一個當然是透過丘腦傳遞到軀體感覺皮層的經典感覺通路。第二個系統必須包括透過腦幹網狀結構通往邊緣系統的通路，邊緣系統對於情緒和動機至關重要。我包括這個迴路的部分原因是，我和其他人都注意到，上身脊髓完全斷裂的截癱患者仍然覺得自己還在原來的身體裡，他們用與受傷前相同的感情詞彙來描述失去神經支配區域的感覺，例如疼痛、愉悅或疲憊。
最後一個系統包括對自我認知和評估感官訊號至關重要的皮層區域。該系統的主要部分是頂葉，在對腦損傷患者的研究中，頂葉已被證明對自我感至關重要。
事實上，已知患有一側頂葉損傷的患者會將自己的一條腿推出病床，因為他們確信這條腿屬於陌生人。這種行為表明，受損區域通常會傳遞一個訊號，說：“這是我的身體；它是我的自我的一部分。”
我認為，當來自外圍或其他地方的感覺訊號到達大腦時，它們會並行地透過這些系統。在分析訊號時，有關它們的資訊在三個系統之間共享，並轉換為綜合輸出，然後傳送到大腦的其他部分。大腦的某個地方會將輸出轉換為有意識的感知，儘管沒有人確切知道導致意識產生的轉變發生在何處。
儘管這種描述看起來很動態，但處理過程可能比這還要動態。我進一步提出，當矩陣分析感官資訊時，它會將自己的特徵神經簽名印在輸出上。因此，輸出不僅攜帶有關感官輸入的資訊，還保證感覺發生在自己的身體中。神經簽名可以比作管絃樂作品的基本主題。當不同的樂器演奏它們的部分（輸入）時，整體聲音會發生變化，但產品始終由基本主題（神經簽名）塑造，即使其演奏細節發生變化，也能為作品提供連貫性。
基因預置矩陣
一個人的特定神經簽名將由矩陣中神經元之間的連線模式決定，即由諸如哪些神經元相互連線以及突觸的數量、型別和強度等因素決定。熟悉神經科學的讀者會注意到，我對神經矩陣的理解與麥吉爾大學的唐納德·O·赫布很久以前提出的細胞組合的概念相似。赫布認為，當感覺輸入同時啟用兩個腦細胞時，細胞之間的突觸會形成更強的連線。最終，這個過程會產生整個連線的神經元組合，因此進入組合一部分的訊號會傳播到其餘部分，即使該組合跨越了大腦的廣闊區域。
然而，我與赫布的不同之處在於，我將神經矩陣視為一個其連線主要不是由經驗而是由基因決定的組合。不過，該矩陣稍後可能會被經驗塑造，經驗會新增或刪除、加強或削弱現有的突觸。例如，經驗將使矩陣儲存來自壞疽性潰瘍的疼痛記憶，因此可能解釋了幻肢中經常出現的相同疼痛。
我認為該矩陣在很大程度上是預先佈線的，原因很簡單，我的學生和我遇到了許多天生沒有手臂或腿的人，但他們仍然體驗到生動的幻肢。例如，一位天生膝蓋以下沒有腿的 32 歲工程師報告說，他的幻肢和小腿仍然栩栩如生，但每週會消失一兩次幾個小時。他報告說，當它們回來時，他總是很高興。
同樣，蘇黎世大學醫院的彼得·布魯格和他的同事描述了一位天生沒有前臂和腿的 44 歲女性，她從小就有所有四肢的生動幻肢。在用幻手進行復雜運動時，對她的大腦進行成像 (fMRI) 研究顯示，她的前運動皮層和頂葉皮層（一個與我們的自我感密切相關的區域）有活動。在另一項研究中，對感覺運動皮層的經顱磁刺激始終在她對側的幻手指和手上引起感覺。顯然，即使實際肢體從未存在，幻肢的大腦基質也已就位，它們應該存在於那裡。
幻肢的強大真實感在一位 11 歲女孩的經典解釋中顯而易見，她天生沒有前臂或手，但有生動的幻手，她解釋了自己在學校學習簡單算術的方式：她把幻手放在桌子上，用伸出的幻指頭數數！
順便說一下，我應該指出，長期以來人們認為幻肢只發生在六七歲之後截肢時才出現，這種觀點是不正確的。我的博士後學生雷內·拉克魯瓦和我證實了早期的報告，即在一兩歲時失去肢體的兒童也會有幻肢。我們還遇到了腿在兩歲前就失去的兒童，他們的幻肢也有疼痛感。
因此，在正常情況下，人們體驗到的各種感覺品質來自感官輸入的變化。這種輸入既被分析，又被主要由預先佈線的神經矩陣塑造為複雜的感覺和自我體驗。然而，即使在沒有外部刺激的情況下，透過神經矩陣的其他訊號（例如矩陣本身或脊髓中神經元的自發放電或神經瘤產生的訊號）也可以產生大致相同的體驗範圍。無論矩陣的輸入來源如何，結果都是相同的：訊號在整個矩陣中迅速傳播，並感知到位於統一自我內的肢體，即使實際肢體已經消失。
幻肢及其疼痛有時會隨著時間推移而消退，這可以用曾經對失去或癱瘓的肢體做出反應的大腦神經元與身體仍然有感覺的部分發展出越來越強的連線，然後開始為這些區域服務來解釋。在此過程中，神經簽名模式會發生變化，導致幻肢和疼痛發生變化。但幻肢通常不會永遠消失。事實上，它們可能會在似乎消失幾十年後再次出現，這表明神經矩陣即使經過修改，也永久保留了許多特徵。
我的學生安東尼·L·瓦卡里諾、約翰·E·麥肯納和特倫斯·J·科德雷以及我收集了一些直接證據，支援我的觀點，即大腦——以及暗示的神經矩陣——可以自行產生感覺。我們的研究依賴於所謂的福爾馬林疼痛測試。
我們向大鼠爪子的皮膚下注射稀釋的福爾馬林溶液（溶解在水中的甲醛），這會產生疼痛，這種疼痛在注射後的前五分鐘內強度迅速上升和下降。（透過舔爪子等行為來評估不適的程度和持續時間。）早期的反應之後是遲發性疼痛，它在注射後約 15 分鐘開始，並持續約一個小時。
透過這項測試，我們發現麻醉阻滯爪子可以完全消除遲發性疼痛，但前提是麻醉劑及時給藥以防止早期反應。一旦發生早期疼痛，該藥物只能部分減少後期的反應。即使在攜帶疼痛訊號的神經被阻斷後，疼痛仍然持續的這種觀察結果表明，長期疼痛（如幻肢中的疼痛）不僅取決於不適期間的感官刺激，還取決於沒有持續引發的大腦過程。
幻肢痛
但到底是什麼原因導致幻肢疼痛？最常見的抱怨是灼痛感。這種感覺可能源於肢體到神經矩陣的感覺訊號的丟失。如果沒有通常的感官刺激，神經矩陣可能會以爆發模式產生高水平的活動，例如 Lenz 在丘腦中觀察到的那樣。這種訊號很可能被轉化為灼痛意識。
其他疼痛可能源於神經矩陣試圖使肢體像正常一樣移動的努力。當肢體在截肢者和截癱患者身上沒有反應時，神經矩陣（其預先佈線假定肢體確實可以移動）可能會發出更頻繁和更強的訊息，敦促肌肉移動肢體。這些輸出可能會被感知為痙攣。類似的輸出訊息也可能被感覺為刺痛。
測試這些想法並探索消除疼痛的新方法的研究仍處於起步階段，但一些有趣的結果開始出現。對這種治療的需求是迫切的，不僅因為痛苦可能嚴重且持續，而且可悲的是，很少有方法是永久有效的。
目前，有許多不同的療法在使用。用電流、振動器或針灸刺激殘肢可以幫助一些截肢者。放鬆和催眠可以幫助其他人。有些人從通常用於對抗癲癇或抑鬱症的藥物中獲得相當大的緩解，而另一些患者則發現抗抑鬱藥和麻醉劑（如美沙酮）的組合可以緩解疼痛。但大約一半患有持續性、長期幻肢疼痛的人對任何方法都沒有反應。
幻肢痛突顯了兩種主要疼痛型別之間的差異。第一種是與特定的損傷或疾病相關的疼痛，它會刺激特定的軀體感受器和脊髓通路，直達軀體感覺皮層。第二種是嚴重的慢性疼痛，其程度通常與損傷或其他病理狀況不成比例，並且在癒合完成後仍持續存在。面部神經痛和帶狀皰疹後神經痛、盆腔和泌尿生殖系統疼痛、大多數背痛和頭痛以及纖維肌痛都屬於一長串原因不明、藥物和治療均無效的慢性疼痛之列。脊髓完全斷裂後，在身體的幻肢部分可能會感受到劇烈疼痛的證據告訴我們，大腦的功能不僅僅是檢測和分析感覺輸入；即使在沒有外部輸入的情況下，它也會創造感知體驗。我們不需要身體來感受身體，也不需要身體上的損傷來感受疼痛。
將疼痛描繪成一個簡單的、直通的神經傳輸系統（如第55頁所示）需要進一步考慮。將資訊傳輸到大腦僅僅代表了疼痛概念框架的第一階段。第二階段是神經資訊在大腦內轉化為有意識體驗的更為非凡的過程。勒內·笛卡爾在1664年將這種轉變歸因於存在於大腦中心部位的非物質的心靈（或靈魂）。在21世紀，科學家面臨的挑戰是發現第二階段期間大腦中發生了什麼。神經衝動是如何轉化為有意識的疼痛體驗的？消除幻肢痛和所有其他慢性疼痛的關鍵在於大腦內部。
由於我的大腦功能模型假設整個神經矩陣都可能導致疼痛，因此該模型還表明，改變軀體感覺系統之外的通路的活動可能很重要，可以單獨進行，也可以與其他治療方法結合使用。一個可以開始研究的地方是邊緣系統。直到最近，邊緣結構在治療疼痛的努力中一直被降為次要角色。然而，正如我所提出的，如果邊緣系統對神經矩陣的輸出有貢獻，那麼它很可能對幻肢中感受到的疼痛也有貢獻。
Vaccarino、McKenna、Coderre 和我所做的工作測試了操縱邊緣系統作為緩解疼痛的方法的價值。我們已經表明，在邊緣系統的不同區域區域性注射利多卡因（一種可阻止神經元傳遞訊號的可卡因衍生物）可以顯著減少大鼠身上幾種實驗性產生的疼痛，包括幻肢痛模型。類似的方法可能適用於緩解人類的幻肢痛，但還需要更多的研究。
幻肢現象不僅僅是對醫療管理的挑戰。它也對心理學中的一些基本假設提出了質疑。其中一個假設是，感覺只由刺激產生，而沒有刺激時的感知在心理上是不正常的。然而，幻肢，以及幻視和幻聽，表明這個概念是錯誤的。
大腦的身體意象
另一個根深蒂固的假設是，對自身身體的感知來自感覺輸入，這些輸入在大腦中留下記憶；這些訊號的總和構成了身體意象。但是，天生沒有肢體或在幼年時期失去肢體的人也存在幻肢，這表明感知身體及其各個部位的神經網路是內建在大腦中的。輸入缺失並不能阻止神經網路生成關於缺失身體部位的資訊；它們會在一生中繼續產生此類資訊。
簡而言之，如果我們假設身體向被動接收的大腦傳送感覺資訊，那麼幻肢就是一個謎。一旦我們認識到大腦會產生身體體驗，幻肢就會變得可以理解。感覺輸入只是調節這種體驗；它們不會直接導致這種體驗。我希望新一代的科學家能夠直接面對大腦，並發現這些事件是如何發生的。
作者
羅納德·梅爾扎克是麥吉爾大學的心理學榮譽退休教授。他從事疼痛神經生理學研究長達五十年。他在1954年於麥吉爾大學獲得心理學博士學位，並在美國和國外進行研究後，於1959年加入麻省理工學院的教職。在那裡，他和已故的帕特里克·D·沃爾開始討論，最終於1965年發表了他們現在著名的疼痛閘門控制理論。梅爾扎克於1963年加入麥吉爾大學的教職。