組裝復仇者：鋼鐵俠的大腦內部

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。

當我剛開始看漫畫書時，有很多超級英雄讓我感興趣。當然，這個名單包括蝙蝠俠、鋼鐵俠、超膽俠、美國隊長、雷神、新星、閃電俠、黑豹、幻影俠等等。

我最喜歡的是團隊合作，每頁都能看到更多的英雄。像神奇四俠、正義聯盟、正義會社、捍衛者以及異人族、入侵者和超級英雄軍團這樣的經典組合。不過，對我來說，排名第一的始終是“復仇者聯盟”。畢竟他們是“地球上最強大的英雄”。

復仇者聯盟也是地球上的超級科學家團體。在 1963 年的首部故事（當然是由斯坦·李撰寫）《復仇者聯盟的到來！》中，最初的陣容包括鋼鐵俠、蟻人、黃蜂女、雷神和綠巨人。這可以說是史上受教育程度最高的超級英雄團體，嗯，集結。

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該團體中的科學家包括布魯斯·班納博士（原子物理學家，綠巨人）、託尼·斯塔克（鋼鐵俠，可能沒有博士學位，但擁有麻省理工學院的 2 個工程碩士學位）、漢克·皮姆博士（亞原子物理學家，蟻人）、珍妮特·範·戴恩（不確定她的培訓情況，但作為第一代黃蜂女，她對實驗室瞭如指掌）以及唐納德·布萊克博士（醫生和外科醫生，雷神）。

這是一個由科學界的重量級人物組成的陣容，即使是我的科學界超級英雄之一弗朗西斯·培根爵士也會感到自豪。即使承認綠巨人四處破壞時，我們通常不會獲得關於希格斯玻色子的見解，而雷神通常也不試圖幫助治療傷病，情況仍然如此。儘管如此，我還是要給最初的復仇者聯盟陣容打一個科學家方面的 A+ 級，即使並非總是為了科學本身。

2012 年的《復仇者聯盟》電影重新構想了起源，並使用了與優秀的漫威“終極”故事線更接近的情節。本著重塑和重新構想故事線的精神，在這篇文章中，我想專注於將科學的鏡頭轉向老好人“殼頭”鋼鐵俠。

鋼鐵俠是少數代表了對可能性的更“現實”解讀的超級英雄之一。正如我在《發明鋼鐵俠：人機合一的可能性》中所寫，他的起源故事有一些非常合理的部分。這使得他作為一個角色更容易接近。但這裡的主要重點是進入這位金色復仇者的頭腦——將鋼鐵俠外骨骼與託尼·斯塔克的大腦連線起來。

鋼鐵俠大腦中可塑的地圖

從子宮內開始，身體各部位的運動和感覺輸入和輸出的校準就開始了。這個過程在你的一生中一直在你的大腦中進行。這導致神經元在你的大腦的軀體感覺和運動部分中進行鬆散的“對映”。因此，你的大腦中存在你身體的多種表徵。這產生了我們的自我意識、身體“形象”和身體“圖式”。

這些表徵在你的一生中隨著你身體大小的變化以及你所經歷的經驗而得到完善和調整。除了可能發生肢體丟失或截肢的悲慘事故之外，你的身體一直 24/7 與你同在。你的身體就是你，它一直都在。

事實證明，工具的使用可以改變這些表徵。但是我們使用的工具不是我們身體的一部分，而且不會一直與我們同在。至少在物理上不是。但是它們在我們的頭腦中與我們同在嗎？我們只在需要時才使用工具（我們始終需要我們的身體）。事實證明，我們大腦中身體的感覺圖可以被重塑，以包括我們使用工具的方式的部分。

這種與工具的融合被稱為“具身”，反映了你的神經系統為了讓你保持完全功能所經歷的可塑性。這個過程受到移動工具的感覺和從看到自己使用工具中獲得的視覺輸入的強烈影響。

我的鋼鐵俠書的主要前提是，為了讓託尼·斯塔克的外骨骼像我們在漫畫、圖畫小說和電影中看到的那樣工作，它需要直接連線到使用者的腦部和脊髓。它需要是有史以來最奇妙的腦機介面。

我對鋼鐵俠的看法與沃倫·埃利斯在漫威鋼鐵俠“絕境”故事弧中所創造的版本非常相似。沃倫提出了神經系統和高度模組化的盔甲之間嵌入式介面的概念。從廣義上講，這真的是它工作的唯一方式。但是，如果存在這樣的終極腦機介面，那麼這樣的“工具”可以被納入真實人腦的皮質表徵嗎？

將你的觸及範圍延伸到你的掌握之外...

由盧西拉·卡迪納利領導的法國和義大利科學家在 2009 年的一項非常簡單但巧妙的研究中證實了工具使用帶來的大腦可塑性。他們開發了一種長手持式“抓取器”，類似於那些用於清理公園和街道上的垃圾，而無需使用者彎腰的抓取器。

在這個實驗中，研究人員要求參與者練習使用抓取器在桌子上拾取和移動物體。他們在使用抓取器之前和之後測量了伸手和抓取的動作。令人驚訝的是，即使在不使用抓取器的情況下，練習使用抓取器也會改變後來的手臂動作！

指向動作發生了變化，參與者感知手臂長度的方式也發生了變化。他們認為自己的手臂更長了，可能是因為該工具使他們可以伸得更遠。從大腦內部的功能角度來看，他們的手臂更長了，因為他們可以使用抓取器伸得更遠。

這種可塑性與由於使用工具而改變大腦中的身體地圖有關。工具賦予我們不同的能力，例如在本例中伸得更遠，而這種功能的改變會推動大腦發生可塑性的變化。這種可塑性的強度和長度並不完全確定。

這些變化是否可以變得足夠持久，從而成為新的表徵或地圖的真實記憶？我們知道，肢體截肢會導致地圖發生變化。它會導致這些地圖中的一些區域清空，並被其他區域的腦細胞接管。相反的觀點，也就是說，當你在已經完整的地圖上新增一些東西時會發生什麼，還沒有得到很好的理解。

進入外星手臂...

使用大腦控制的神經假體的靈長類動物研究表明，僅在幾周後就會發生非常明顯的變化。這些“假體運動記憶”是長期記憶的特徵。因此，大腦似乎可以將外來部分納入這個圖式中。

這個將外來部分納入身體的想法在 1998 年由匹茲堡卡內基梅隆大學的馬修·博特維尼克和喬納森·科恩提出。他們進行了現在被稱為“橡皮手錯覺”的實驗。

這些科學家使用真人大小的橡皮手臂作為“外星肢體”，將每個參與者的左臂隱藏在遮光屏幕後面。然後，參與者將視線集中在這個“外星肢體”上。實驗人員使用小畫筆，同時撫摸（完全可見的）外星手和（隱藏在屏幕後方不可見的）真手。經過 10 分鐘的這種條件反射後，參與者被問到了一些關於體驗的問題。

一些答案令人震驚。他們暗示了一種錯覺，這種錯覺提供了外星肢體上的觸覺，而不是真手上的觸覺。也就是說，他們似乎感覺到看到的畫筆的觸控，就好像橡皮手實際上感覺到了觸控一樣。一位參與者說：“我發現自己看著那個假手，認為它實際上是我自己的。”這種強大的錯覺現在已在許多其他實驗中採用，並取得了類似的驚人結果。

由亨利克·埃爾松領導的一個瑞典科學團隊將“橡皮手錯覺”擴充套件到了上肢截肢患者。使用與上述初始實驗類似的程式，他們創造了一種具身感，即橡皮手實際上是附著在截肢肢體曾經所在的殘肢上的真手。

儘管這種錯覺在身體健全的人身上效果良好，但研究人員不確定它是否仍然會在截肢後起作用。實際上，三分之一的截肢患者發現了強烈的錯覺。有趣的是，在截肢後儘快進行測試時，錯覺更加強烈。

這種錯覺非常強大，以至於在某些情況下，突然將注射器插入橡皮手會產生焦慮的生理反應（皮膚電導的變化），如果這隻手是他們身體的一部分，就會發生這種情況！顯然，正在發生一個“具身”的過程。這個小組最近做了一些事情，為我自寫《發明鋼鐵俠》以來一直困擾我的問題提供了一些答案。

保羅的難題...

就是這樣：我真的不明白鋼鐵俠的盔甲會在託尼·斯塔克的軀體感覺和運動皮層中如何體現。上面我們討論了我們如何透過練習使用工具和對肢體截肢等創傷做出反應來重塑我們的身體圖式。但是這些方法都利用了存在且被重塑或丟失並被重用的神經元區域。那麼像全新的身體這樣的全新事物呢？這就是下圖要展示的含義。

埃爾松團隊的一項實驗幫助我們找到了答案。他們沒有直接跳到擁有全新身體的想法，而是提出了這樣一個問題：“在不久的將來，我們是否有可能重塑人體，使其擁有額外的肢體？比如，第三隻手臂幫助我們去當地雜貨店購買每週的用品，或者額外的假肢幫助癱瘓的人？” 這些問題與考慮穿上鋼鐵俠外骨骼的問題是同等重要的。

為了驗證是否真的可以欺騙大腦，讓它認為你擁有額外的手臂，他們使用了“橡皮手錯覺”的變體。其中，一個非常大膽的舉措是將第三個肢體——橡皮手臂——放置在人的實際手臂旁邊。所以它完全暴露在視野中。然後，他們進行了基本的操作，即刷拭真實的指頭和橡皮手的指頭，而參與者則在一旁觀看。

當然，橡皮手錯覺再次奏效。這個巧妙的實驗包括各種控制條件，甚至一些生理指標，如皮膚電反應，都表明假肢甚至可以被危險“威脅”（這次是用刀切割）。結果表明，參與研究的人感覺自己好像有了第二隻右手！

這篇論文的結論段落如下：“因此，在某些情況下，健康的人可能會體驗到似乎違反人體結構的軀體感覺。”這項現實生活中的研究工作是我發現的，最接近回答是否存在足夠的神經可塑性來適應完整的鋼鐵俠外骨骼的答案。答案是暫時的肯定！

關於機器、人與思想

旨在融入使用者身體圖式的假肢或外骨骼需要包括感測器和反饋。例如，鋼鐵俠盔甲手指上的感測器可以用來啟用大腦中通常從真實手指獲得感覺的區域！其想法是，隨著時間的推移，來自人工感測器的感覺將融入個人的感知中，使他們與身體“合二為一”。這就是具身認知。

這意味著鋼鐵俠盔甲應該在手指、手、腳趾等通常在託尼·史塔克身上啟用的部位安裝感測器。透過這種方法，託尼就會像他在《鋼鐵俠2》中宣稱的那樣，“鋼鐵俠的盔甲和我合二為一”。

由於科學和科幻之間的界限非常不穩定，因此真實的實驗工作表明這非常有用，這不足為奇。2010年，芝加哥大學的Aaron Suminski、Nicholas Hatsopoulos及其同事使用一個覆蓋在猴子手臂上的“袖子”，幫助它們學習如何透過記錄運動皮層的活動來移動電腦螢幕上的游標。

加入來自機器人肢體的感覺提高了學習腦機介面指令的能力。芝加哥大學的科學家讓猴子同時使用視覺和軀體感覺反饋，它們學習控制游標的速度和準確性都比沒有這些感覺時更快。

早在2011年，我的《發明鋼鐵俠》一書出版幾個月後，就有人要求我對即將發表在《自然》雜誌上的一篇論文發表評論。由腦機介面領域的先驅和領導者Miguel Nicolelis領導的杜克大學神經工程中心的研究團隊，使用大腦活動訓練兩隻猴子來控制和移動虛擬手。

這個實驗的關鍵——也是使用虛構的鋼鐵俠外骨骼進行功能訓練的必要條件——是使用了大腦感覺和運動部分的電活動。運動訊號被用來驅動控制器，然後當猴子做出準確的動作時，透過刺激感覺皮層直接向大腦提供反饋。這一巨大進步實際上為大腦提供了模仿運動中感覺輸入的電刺激模式。

這實際上是在問，當你把工具的使用——鋼鐵俠盔甲是工具——推向極致時，會發生什麼？如果工具是身體的代表，大腦會發生什麼？如果我們增加大腦中身體的表徵，而不是先移除一些東西，那麼身體圖會發生什麼變化？

與此相關的神經可塑性會影響你的大腦和真實身體之間的聯絡嗎？可塑性——重塑——會有多強？如果你使用得太頻繁，你會忘記如何使用自己的真實身體嗎？仍然有很多問題。還有很多工作要做。借用一點物理/工程/數學的術語，仍然存在一些“非平凡”的問題。

關於非平凡問題的一些瑣事…

一個主要的非平凡問題與生物學中的“形式與功能”關係有關。關於身體的大部分，最酷的事情是你可以從解剖結構（它的樣子）中瞭解到很多關於生理學（它的工作原理）的資訊。功能源於形式。

在你的心血管系統中，你有一個大型的肌肉泵，即心臟，它接收並將血液泵送到全身。仔細觀察心臟以及進出心臟的所有管道，可以合理地估計它的作用以及血液如何在體內流動。

在人類神經系統中，你有一個包含約 1000 億個神經元的大腦。這 1000 億個神經元平均可能與其他神經元有約 5000 個連線。這可能會產生約 100 萬億個連線。一個相當大的數字。遠大於估計宇宙中星系的估計數量（2000 億到 5000 億之間）。總的來說，這是一個需要考慮的巨大連線數量。

這部分允許神經系統呈現更廣泛的範圍。並不是因為解剖結構難以理解，或者大腦不同區域內的結構複雜得多。它當然是複雜的，但是來自這 1000 億個神經元的連線的一般特徵形成腦內的通路和連線帶，可以合理地識別（大部分情況下）。

真正的非平凡問題來自於大腦的功能——行為——無法直接從解剖結構中預測。進入這 100 萬億個連線。關鍵是，大腦中的網路活動是從任何給定時間活躍的突觸連線的活動中產生的。這是一個不斷變化的、網路活動的景觀。

為了簡單近似這種複雜性，想象一下你坐在地中海波濤洶湧的船上。你周圍的船隻都在上下起伏，因此在任何給定的時刻，你都會看到不同的船隻。這些船隻都代表神經元之間活躍的連線，當你看到它們時，它們就會表達出來，而當你看不到它們時，它們就會被沉默。為了完成這個比喻，乘以數萬億。

這些問題的真正答案還在前方。在我們等待這些答案並努力尋找解決方案的同時，讓我們用我最喜歡的神經科學語錄之一來結束。南非動物學家Lyall Watson (1939-2008)寫道：“如果大腦簡單到我們很容易理解它，我們就會簡單到無法理解它。”

幸運的是，為了我們和知識的進步，有很多科學家一直在努力闡明人腦的功能。以真正的“復仇者”風格，他們的努力的活力和嚴謹性彌補了簡單性的缺乏。我期待著未來的發展。這些發展可能會受到小說的啟發，但卻是為神經康復的新現實而創造的（見下圖）。