Our technical paper “Extrapolation of Thermal Sensation: Warm-cold Stimulus Pair Elicits a Sense of Warmth Outside the Stimulus” has been published in IEEE Access.

Please check out our paper: DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3392276

Extrapolation of Thermal Sensation: Warm-cold Stimulus Pair Elicits a Sense of Warmth Outside the Stimulus

Abstract Summary

This research introduces and investigates a novel perceptual phenomenon termed “Extrapolation of Thermal Sensation” (ETS). ETS occurs when a sequence of warm, cold, and neutral thermal stimuli applied to the skin (e.g., on a finger) results in a sensation of warmth at the location of the neutral stimulus, which is outside the area directly affected by the warm or cold stimuli. The study explores the characteristics of ETS, comparing it with the well-known Thermal Grill Illusion (TGI), and examines how factors like the spinal segmental distance (dermatome distance) between stimuli and the body part being stimulated (fingers vs. lower leg) affect the phenomenon. The findings suggest ETS is a neural illusion, not a result of physical heat conduction, and likely involves different neural mechanisms than TGI, particularly concerning intersegmental lateral connections in the spinal cord and potentially suprasegmental (cortical) processing.

Key Findings and Experimental Details

1. ETS Phenomenon and Segmental Distance:
   • The core finding is that applying a warm stimulus (e.g., 42°C), followed by a cold stimulus (e.g., 18°C), and then a neutral stimulus (e.g., 30°C) in close proximity can make the neutral area feel warm.
   • The intensity of this perceived warmth in ETS was found to be dependent on the “segmental distance” (Dsg) between the warm and cold stimuli, measured in terms of dermatomes.
   • On the fingers, ETS was strongest when warm and cold stimuli were within the same dermatome (Dsg=0), with perceived temperature at the neutral site approaching that of the warm stimulus. The effect decreased as the segmental distance increased (e.g., Dsg=1, across adjacent dermatomes) and was minimal or absent at greater distances (e.g., Dsg=2, non-adjacent dermatomes).
2. Comparison with Thermal Grill Illusion (TGI):
   • TGI, where an array of interlaced warm and cold bars elicits a sensation of burning heat or pain within the stimulated area, was also investigated.
   • On the fingers, both ETS and TGI were induced when stimuli were within the same dermatome or across adjacent dermatomes.
   • A key difference emerged when testing on the lower leg:
     • TGI (overestimation of cold stimulus temperature) could still be induced across adjacent dermatomes.
     • ETS, however, was only induced when the warm and cold stimuli were within the same dermatome on the lower leg; it was not reproduced across adjacent dermatomes where TGI was still present.
   • This dissociation suggests ETS and TGI have different underlying mechanisms and that intersegmental neural connections for thermal integration may not be uniform across different body parts.
3. Spatial Characteristics of ETS:
   • Experiments where participants sketched the perceived thermal sensations revealed that the warmth in ETS could be diffuse.
   • Notably, some participants reported feeling warmth in areas where there was no skin contact with stimuli, such as in the air between fingers, or in adjacent dermatomes where no stimulus was applied. This suggests the involvement of higher-level (suprasegmental, possibly cortical) spatial organization and representation of thermal sensations.
4. Proposed Mechanism for ETS:
   • The authors propose that Wide Dynamic Range (WDR) neurons in the dorsal horn of the spinal cord play a crucial role. These neurons respond to both warm and cold

温熱感覚の外挿：温冷刺激対が刺激範囲外に温かさを誘発する現象

概要

本研究は，「温熱感覚の外挿（Extrapolation of Thermal Sensation: ETS）」と名付けられた新しい知覚現象について報告するものです．これは，指や下肢において，温刺激，冷刺激，中性刺激を特定の順序（温→冷→中性）で同時に与えると，中性刺激を与えた部位が温かく感じられるという現象です．このETSは，皮膚表面の熱伝導による物理現象ではなく，神経活動によって温冷感覚が空間的に統合されることで生じる錯覚であることが示唆されました．

主な発見と実験内容

1. ETS現象の確認と定量的評価:
   • 指の付け根に温刺激，指の中央部に冷刺激を与えると，指先（中性刺激部位）に温かさが生じることを確認しました．
   • この温かさの強度は，温刺激と冷刺激の間の「皮膚分節（dermatome）距離」に依存し，距離が小さいほど強く，大きいほど弱まることが示されました．具体的には，同一皮膚分節内（Dsg=0）で最も強く，隣接する皮膚分節間（Dsg=1）でも生じましたが，非隣接皮膚分節間（Dsg=2）では生じにくいことが示されました．
2. サーマルグリル錯覚（TGI）との比較:
   • ETSは，温冷刺激の空間的統合という点でサーマルグリル錯覚（TGI）と類似性がありますが，感覚が生じる空間分布が異なります．TGIは刺激範囲の内側に限定されるのに対し，ETSは刺激範囲の境界を越えて生じます．
   • 指においては，ETSとTGI（冷刺激部位が過大評価されて温かく感じる現象）はともに同一皮膚分節内および隣接皮膚分節間で誘発されました．
   • しかし，下肢においては，TGIが隣接皮膚分節間でも誘発されたのに対し，ETSは同一皮膚分節内でしか誘発されませんでした．この結果は，ETSとTGIが異なるメカニズムを持つ可能性，そして身体部位によって神経の横方向の結合の強さが異なる可能性を示唆しています．
3. ETSの空間的特性:
   • 被験者に知覚された温かさの範囲を描画してもらった結果，ETSによる温かさは刺激部位だけでなく，指の間など皮膚が存在しない空間にも広がって感じられる場合があることが示されました．これは，脊髄より上位の中枢（大脳皮質など）における空間表象の関与を示唆しています．
4. ETSのメカニズムに関する考察:
   • 研究チームは，ETSのメカニズムとして，脊髄後角にある広作動域ニューロン（Wide Dynamic Range: WDRニューロン）の関与を提案しています．WDRニューロンは受容野の中心部と周辺部で異なる応答特性を持ち，特に指のような部位では受容野が広く複数の皮膚分節にまたがるため，温冷刺激が離れた場所のWDRニューロンを興奮させ，刺激範囲外での温かさの知覚（ETS）が生じると考えられます．
   • 一方，下肢ではWDRニューロンの受容野が相対的に狭いため，隣接皮膚分節をまたぐような強いETSが生じにくいと説明しています．

結論と意義

本研究は，温冷刺激の組み合わせによって刺激範囲外に温感が誘発されるETSという新たな現象を報告し，その特性を明らかにしました．ETSの強度が皮膚分節距離に依存すること，TGIとは異なる身体部位依存性を持つこと，そして知覚される温かさが刺激範囲を超えて広がる可能性を示しました．これらの知見は，温熱感覚の空間的統合メカニズムの理解を深めるとともに，将来的には温熱ディスプレイやVR/AR技術における新たな感覚提示手法の開発に貢献する可能性があります．

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  Impairment of Tactile Acuity Under Chemical Stimulation of Thermoreceptors
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