图片来源：Dani Clode Design
19世纪，美国牧师和废奴主义者Henry Ward Beecher曾经写道，“工具只是人手的延伸，而机器不过是复杂的工具。”一个多世纪以来，这句话预示了人们对“工具化身”的科学研究：人类丰富的感官输入，包括操作工具时所涉及的触觉和视觉感知，如何改变一个人身体本身的感觉。工具化身意味着，例如，当一个人拿着螺丝刀时，大脑会改变其对“手”的操作样式，直到该操作表达到达工具的最尖端。
但事情真的是这样的吗？为什么大脑会在某种情况下，为了使用钝器而放弃它所认为是灵巧的手（即使是暂时的）呢？这些问题启发了伦敦大学的神经科学家Tamar Makin。在发表于《公共科学图书馆·生物学》（PLOS Biology）和《神经科学》（Journal of Neuroscience）杂志的研究中，她调查了戴假肢的人或用金属杆捡垃圾的伦敦街头清洁工，想要看看他们是否真的将自己的身份与这些工具结合起来。到目前为止，Makin的研究结果与Beecher关于手动工具化身的直觉相矛盾，与之矛盾的还有一些建议使用工具改变体内身体地图的现代研究。
Makin的工作重点在于，更好地理解大脑如何能最好地适应假肢，使假肢能用最有效的方式运作，因此她的兴趣点在于确定工具化身是否是真实的。她希望最终不仅仅是更换身体部位，而是尝试增强仍然完好的身体结构。她的实验室一直在与假肢设计师Dani Clode 合作，研究人们如何学会适应“第三拇指”——一种用户可以绑在手上并用大脚趾远程控制的机器人手指。发表在《科学·机器人学》（Science Robotics）上的一篇论文表明，人们可以学习使用拇指来增强他们的手部功能，但文章也提出了一些问题，即大脑中的这种“可塑性”变化是否会改变一个人生物手的神经表征，这种改变可能是好的也可能是坏的。Makin和她的研究生Hunter Schone（伦敦垃圾拾荒者研究的主要共同作者）与《科学美国人》谈论了他们最近所做的事情——即使在疫情席卷全球的时候。
你是如何开始这项研究的？
HUNTER SCHONE：我们实验室有一个名叫Roni Maimon-Mor的博士生。她对这个问题感兴趣，即假肢使用者是把假肢当作身体的一部分还是更像一个工具。所以Tamar和Roni进行了这项研究。他们发现了很有趣的结果，基本上，使用者使用假肢的次数越多，它在大脑中的形象就越不像手或工具。
TAMAR MAKIN：这是一项完美的测试案例，因为有人可能每天使用假肢达14到16小时。假肢是用于替代手功能的一种工具。如今有一个非常占主导地位的观点，这个观点从哲学延伸到工程学、心理学，再到流行文化，即如果我们作为专家使用工具，那么我们的大脑表现它们的最佳方式，就是把它们当作我们身体的一部分 .
你能解释一下为什么这个假肢的研究发现令人惊讶吗？
SCHONE：这都来源于工程学领域对工具化身的想法。当人们使用一个设备时（尤其是对于使用假肢的截肢者），他们会主观地将设备当作身体的一部分吗？可能那意味着，从神经学的角度来看，大脑开始真的把这个设备当作身体的一部分。我们从这项研究中得到的惊人答案是，当您考虑大脑中正在发生什么事情时，这种工具化身的想法并不真的存在——至少我们研究的大脑部分是这样的。
是什么引发了对垃圾拾荒者的研究？
MAKIN:是这样的，关于假肢的研究结果非常令人兴奋。Hunter热衷于想要重复这个发现。对于垃圾拾荒者，我们认为大脑足够聪明、足够灵活、足够可塑，可以想出新的解决方案来代表专家级的工具。他们可以捡起形状和重量完全不同的物品——例如装有液体的杯子和烟头。实际上，他们的出色程度令人印象深刻。
SCHONE：就像替代手部功能的假肢，我们试图找到一种工具，一种不同以往的工具，作为手部功能的延伸。同时，我们试图找到专家，看看是否能在这个实验组中找到与假肢相同的结果。我们探讨招募牙医和外科医生，以及他们所使用的工具种类。Roni认为捡垃圾的工人可能比一群外科医生更容易找到。这些工人在伦敦随处可见。
图片来源：Hunter Schone
你们的实验内容有哪些？
SCHONE：我们专注于视觉皮层。有趣的是，在你大脑的视觉皮层中，有一个视觉区域代表手。在该区域附近，还有一个代表工具的重叠区域。这是一个测试这个问题的完美区域，因为这个区域代表了你的手和工具。我们想知道，当你成为工具专家时，这个区域会发生什么。
我们想以最接近实际情况的方式模拟垃圾拾荒者的体验，因为他们不能在扫描仪中使用垃圾收集器工具。所以我们制作了这些视频：视频展示了一只手或一个垃圾捡拾工具抓取物体，或一个人使用不同类型抓取工具（例如钳子）。我们制作了48 个独立的视频。
你们发现了什么？
SCHONE：我们分别把每个人置于扫描仪中，给他们播放视频。我们观察了大脑这个区域的活动，即手和工具的视觉重叠区。我们观察了这些工具是如何在脑中展现的。然后，我们分析比较了大脑活动模式的差异——这意味着你可以看到大脑以相似或不同的方式表现事物。
我们对这些不同的类别（手、捡垃圾工具、钳子）进行了分析。我们对比了当参与者看到捡垃圾工具，与看到手、捡垃圾者或钳子时，他们大脑活动模式的相似程度。
工具化身的概念是，当你使用工具时，你的大脑与它的联系更像是一个实际的身体部位。这意味着手和捡垃圾工具在大脑中的展现形式会更加相似。但事实上，我们看到了完全相反的结果，这与我们在假肢研究中看到的结果相同。
MAKIN：这是第一次，我们通过解读人的大脑活动，来真正直接测试大脑如何代表工具的假设。这是以前从未做过的实验。因此，这是检验工具化身的最严肃尝试，我们找到了非常确凿的证据来反对这样的假设。
但这并不能完全解释工具化身的问题。工具化身是一个多方面的现象。如果你去问经常使用假肢的人的大脑，或者至少是视觉皮层，他们的器官对假肢的工具内化程度较低。但是，如果你询问人们对长期使用假肢后主观体会，他们会说，假肢使用的越多，就越感觉像是他们身体的一部分。
人们对假肢的体验与大脑如何代表假肢之间的差距，可以解释为我们只关注大脑的一个特定区域这一事实。对我们来说，这是个完美的大脑区域。但它只是一个庞大的、非常复杂的大脑网络中的一个区域。如果我们只看拼图的一部分，对于大脑的其余部分来说，它可能是一幅完全不同的画面。这可能是一种解释。
我个人认为情况并非如此。我看不出大脑能得到什么好处，去模仿或建立我们手的感觉运动基础结构，以控制或代表与手如此不同的东西。我们单独移动每根手指的方式与使用捡垃圾工具进行的非常僵硬单一的动作非常不同，并且与你用假肢做的事情也大不相同。
如果假肢和垃圾捡拾器并不是身体的延伸，那么大脑是如何代表它们的？
MAKIN：如果你观察那些擅长分辨鸟类或汽车的人，他们会开始在大脑中创造一个新的专业知识领域。因此，他们将更多的大脑资源用于代表鸟类和汽车。他们对这种新事物展现出了比普通人更精确的代表方式——这是你的或我的大脑无法达到的水准。那么同样，你可以成为使用假肢的专家。你了解假肢的各种功能以及它们的重要性。你开始用专家的方式来表现假肢。但这不是你自己身体的一部分，而是一个物体的表现。这就是我们通过对假肢使用者和捡垃圾者进行核磁共振成像研究的发现。
你能说说更多关于你研究的方向吗？
MAKIN：我对如何帮助工程师设计最好的假肢很感兴趣，因为目前，我们遇到的麻烦是：工程师正在设计越来越复杂的假肢，这些假肢变得越来越昂贵，越来越花哨。我认为一个潜在的问题是设计师对工具化身的理念非常着迷。他们试图设计出与身体工作方式类似的假肢。他们设想，假肢越像手，大脑就越容易用假肢代替手。而我们的研究想说，“没必要。你的大脑有可塑性。你的大脑会想出最好的解决方案来代表假肢。大脑知道它不是一只手。”这是令人兴奋的，因为这会让工程师在假肢设计的经典框架之外思考。他们可以考虑新的工程方法。谁说假肢一定要看起来像一只手而不是章鱼的触手？
在这个领域，你们还做了什么？
MAKIN：这也为运动增强提供了非常令人兴奋的机会。我们正在使用机器人手指为五指健全的人提供他们从未有过的额外身体部位。大脑没有更多的资源来支持新的身体部位，因为我们的基因设计中并没有六个手指。但是，如果大脑的可塑性足以为假肢提出新的解决方案，那么它也会具有足够的可塑性让我们能利用这些新技术——例如第三个拇指。我们很幸运能与Dani Clode合作，他设计了这种增强设备来扩展人们的运动能力。我们正在对这个设备进行大量研究，以了解当用户使用额外的拇指时，他们的大脑会发生什么。
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那么受过训练的拇指使用者会表现出很高的灵活性。但是，如果人们一直使用人造拇指，是否需要更多的研究来确定自然手的运动协调会发生什么变化？
MAKIN：使用这种拇指改变了人们协调身体动作的方式，我们相信这以代表手的方式触发了大脑的可塑性。这意味着为了充分利用该拇指的扩展运动功能，我们必须改变我们使用和代表身体的方式。这绝对是一个重要的考虑因素，我们之前从未真正提出过，其中包含重要的安全考虑。如果我们要求工人在工厂使用额外的身体部位，这是否意味着他们卸下设备，开车回家时会变得笨拙？我们需要更多的研究来更好地了解额外身体部位的使用、大脑可塑性以及身体和设备的运动控制之间的平衡。
撰文：Gary Stix，《科学美国人》的高级编辑。
翻译：魏书豪
审校：郭晓
引进来源：科学美国人
本文来自：中国数字科技馆
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