19世紀美國牧師和廢奴主義者亨利·沃德·比徹曾寫道：“工具只是人手的延伸，機器只是複雜的工具。” 一個多世紀後，這些話預示了對“具身化”的科學研究方向：即人類豐富的感官輸入——包括操作工具時涉及的觸覺和視覺感知——如何改變對自身身體的感知。具身化意味著，例如，當一個人握住螺絲刀時，大腦會變形其“手”的表徵，直到該表徵延伸到工具的最尖端。
但這真的是發生的事情嗎？ 為什麼大腦會以某種方式放棄，即使是暫時的，它對靈巧的手的概念，而接受鈍器呢？ 倫敦大學學院的神經科學家塔瑪·麥金受到了這些問題的啟發。在最近發表在《PLOS Biology》和《Journal of Neuroscience》上的研究中，她考察了使用假肢的人——或揮舞著垃圾鉗金屬桿的倫敦街道清潔工——是否真的將他們的身份與這些工具融合。 到目前為止，麥金的研究結果與比徹關於手-工具具身化的直覺，以及一些現代研究相矛盾，後者曾表明使用工具會改變內在的身體地圖。
麥金的工作重點是更好地理解大腦如何才能最好地適應以最有效方式執行的人工肢體——因此她對確定具身化是否真實存在感興趣。她還希望最終超越替換身體部位，嘗試增強仍然完好的身體部位。她的實驗室一直在與假肢設計師丹妮·克洛德合作，研究人們如何適應“第三根拇指”——一種機器人手指，使用者將其綁在手上，並透過大腳趾遠端控制。本週發表在《科學·機器人學》雜誌上的一篇論文表明，人們可以學會使用拇指來增強手的功能——但它也提出了關於大腦中這種“可塑性”變化是否會改變，無論是好是壞，一個人對其生物學手的神經表徵的問題。 麥金和她的研究生亨特·肖恩是倫敦垃圾撿拾者研究的共同第一作者，他們與《大眾科學》談論了他們最近一直在做的事情——即使在疫情席捲全球期間。
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[以下是採訪的編輯稿。]
你是如何開始這項工作的？
亨特·肖恩：我們實驗室有一位名叫羅尼·邁蒙-莫爾的博士生。她對假肢使用者是否將他們的假肢視為身體部位還是更像工具這個問題感興趣。 因此，塔瑪和羅尼進行了這項研究。 他們發現了非常有趣的結果，基本上表明，使用者使用假肢越多，它就越不像手或工具一樣在大腦中被表徵。
塔瑪·麥金：這是一個完美的測試案例，因為有人可能每天使用假肢 14 到 16 個小時。 假肢是一種旨在替代手功能的工具。 有一種非常主流的觀點——它從哲學延伸到工程學、心理學，也延伸到流行文化——如果我們像專家一樣使用工具，那麼我們的大腦表徵它們的最佳方式就是好像它們是我們身體的一部分。
你能描述一下為什麼假肢的發現令人驚訝嗎？
肖恩：這一切都來自工程界關於具身化的想法。 當[人們]使用裝置時（特別是對於截肢者，他們正在使用假肢），他們主觀上是否感覺它像是他們身體的一部分？ 這可能意味著，從神經學的角度來看，大腦實際上開始像身體部位一樣表徵該裝置。 我們在這項工作中得到的驚人答案是，當你考慮大腦中發生的事情時——至少在我們研究的大腦部分——具身化的想法並不真正適用。
是什麼導致了對垃圾撿拾者的研究？
麥金： 所以假肢研究的結果非常非常令人興奮。 亨特渴望提出對這一發現的重複驗證。[對於垃圾撿拾者]，我們認為[大腦足夠聰明和靈活，具有足夠的可塑性，可以提出新的解決方案來表徵專家工具。 他們可以撿起非常不同的形狀和重量——裝有液體的杯子、香菸頭。 他們表現得如此出色，這實際上令人印象深刻。
肖恩：就像替代手功能的假肢一樣，我們試圖找到一種工具，它是手功能的延伸——一種不同型別的工具——我們試圖只找到專家，看看是否可以在這個群體中展示與假肢[那些]相同的結果。我們討論了招募牙醫和外科醫生以及他們使用的工具。 羅尼認為，與試圖尋找一群外科醫生相比，垃圾撿拾工人可能更容易找到。 你在倫敦到處都能看到他們。
垃圾撿拾工具。 來源：亨特·肖恩
你們在實驗中做了什麼？
肖恩：我們專注於視覺皮層。 有趣的是，在視覺皮層中，你有一個大腦視覺區域，它代表手。 附近，有一個重疊區域，工具也在此處被表徵。 這裡是測試這個問題的完美區域，你可以在這裡表徵手和工具。 我們想知道當您成為工具專家時，這個空間會發生什麼。
我們想以儘可能好的方式模擬垃圾撿拾者的體驗，因為他們無法在掃描器中使用垃圾撿拾工具。 所以我們製作了這些影片：影片顯示一隻手抓住——或一個垃圾撿拾工具抓住——一個物體，或者有人使用不同型別的抓取工具，例如鉗子。 我們製作了 48 個獨特的影片。
你們發現了什麼？
肖恩：我們把所有人都放進掃描器，並向他們展示了影片。 我們觀察了大腦中這個區域的活動，這個區域是手和工具的重疊視覺區域。 我們觀察了這些事物中的每一個是如何被表徵的。 因此，我們使用了一種分析方法，該方法比較活動模式的差異——這意味著你可以看到大腦中以相似或不同方式表徵的事物。
我們對每個不同的類別（手、垃圾撿拾工具、鉗子）進行了分析。 我們比較了當參與者看到垃圾撿拾工具時，與看到手——或看到垃圾撿拾器與看到鉗子相比，活動模式的相似程度。
具身化的想法是，當您使用工具時，您的大腦會更像對待實際的身體部位一樣對待它。 這意味著手和垃圾撿拾工具將被更相似地表徵。 但實際上，我們看到了完全相反的效果，這與我們在假肢研究中看到的結果相同。
麥金：這是第一組真正直接測試大腦如何透過解碼人們的大腦活動來表徵工具的研究。 以前從未這樣做過。 因此，這是識別具身化——並[找到]非常有力的證據反對它——的最認真的嘗試。
但這並沒有最終否定具身化。 具身化是一種多方面的現象。 如果你問大腦，或者至少是視覺皮層，使用假肢較多的人，他們的器官對假肢的具身化程度較低。 但是，如果你問人們在使用很長一段時間後對假肢的主觀體驗，他們使用得越多，他們就越說它感覺像是他們身體的一部分。
人們體驗假肢的方式與大腦表徵它的方式之間的差距可以用這樣一個事實來解釋，即我們只是專注於大腦的特定部分。 對我們來說，它是完美的大腦區域。 但它只是一個巨大的、非常複雜的腦區網路中的一個腦區。 如果我們只關注拼圖的一部分，那麼對於大腦的其餘部分來說，這可能是一幅完全不同的畫面。 這可能是一種解釋。
我個人認為情況並非如此。 我看不到大腦模仿或建立在我們為手擁有的感覺運動基礎設施之上的好處，來控制或表徵與手如此不同的東西。 我們分別移動每一根手指的方式與使用垃圾撿拾工具進行的非常僵硬的單一運動非常不同，並且與您使用假肢可以做的事情也大相徑庭。
如果假肢和垃圾撿拾器不是身體的延伸，那麼它們在大腦中是如何被表徵的？
麥金： 如果你看看那些擅長挑選鳥類或汽車的人，他們會開始在大腦中創造一種新的專業知識。 因此，他們會投入更多的大腦資源來表徵鳥類和汽車。 並且他們正在提出比正常人更精細的對這種新事物的表徵——你的大腦或我的大腦無法識別的東西。 以同樣的方式，您可以成為使用假肢的專家。 您瞭解各種功能以及它們的重要性。 您開始提出對它的專家表徵。 但這不是您自身身體的表徵，而是物體的表徵。 這就是我們透過對假肢使用者和垃圾撿拾者的 [功能性磁共振成像] 研究發現的。
你能詳細說說你工作的未來方向嗎？
麥金： 我有興趣瞭解我們如何幫助工程師設計最好的假肢，因為目前，我們面臨一場危機：工程師們正在設計越來越複雜的假肢，這些假肢變得越來越昂貴，越來越花哨。
我認為一個潛在的問題是，設計師們非常著迷於具身化的概念。 他們試圖設計與身體工作方式相似的假肢。 他們認為，假肢越接近手，大腦就越容易用假肢代替手。 我們的研究表明，“別費心了。 你大腦具有可塑性。 你大腦會提出表徵假肢的最佳解決方案。 大腦知道它不是手。” 這令人興奮，因為它邀請工程師跳出如何設計假肢的傳統框架進行思考。 他們可以考慮新的工程方法。 誰說假肢必須看起來像手，而不是像章魚的觸手？
你們在這個領域還在做什麼？
來源：Dani Clode Design 和倫敦大學學院可塑性實驗室
麥金： 這也為運動增強開闢了非常令人興奮的機會。 我們正在研究一種機器人手指，為擁有五根手指的健全人提供他們以前從未擁有過的額外身體部位。 大腦沒有更多資源來支援這個新的身體部位，因為我們並非在基因上被設計為擁有六根手指。 但是，如果大腦具有足夠的可塑性來為假肢提出新的解決方案，那麼它也應該具有足夠的可塑性，使我們能夠利用這些新技術——例如第三根拇指。 我們非常幸運能與丹妮·克洛德合作，她設計了這種增強裝置來擴充套件人們的運動能力。 我們正在使用該裝置進行大量研究，以瞭解使用者在使用額外的拇指時大腦會發生什麼變化。
訓練有素的拇指使用者表現出極大的靈巧性。 但是，如果人們一直使用人造拇指，是否需要更多研究來確定自然手的運動協調性會發生什麼變化？
麥金： 使用拇指改變了人們協調運動的方式，我們認為這觸發了手部表徵方式的大腦可塑性。 這意味著，為了利用拇指——擴充套件運動能力——我們使用和表徵身體的方式必須發生一些改變。 這絕對是一個以前從未提出的重要考慮因素，具有巨大的安全隱患。 如果我們要求工廠工人在工廠中使用額外的身體部位，這是否意味著他們在摘下該裝置後開車回家時會更加笨拙？ 需要進行更多的研究，以更好地瞭解額外身體部位的使用、大腦可塑性以及身體和裝置的運動控制之間的平衡。