19世纪美国牧师和废奴主义者亨利·沃德·比彻曾写道：“工具只是人手的延伸，机器只是复杂的工具。” 一个多世纪后，这些话预示了对“具身化”的科学研究方向：即人类丰富的感官输入——包括操作工具时涉及的触觉和视觉感知——如何改变对自身身体的感知。具身化意味着，例如，当一个人握住螺丝刀时，大脑会变形其“手”的表征，直到该表征延伸到工具的最尖端。
但这真的是发生的事情吗？ 为什么大脑会以某种方式放弃，即使是暂时的，它对灵巧的手的概念，而接受钝器呢？ 伦敦大学学院的神经科学家塔玛·麦金受到了这些问题的启发。在最近发表在《PLOS Biology》和《Journal of Neuroscience》上的研究中，她考察了使用假肢的人——或挥舞着垃圾钳金属杆的伦敦街道清洁工——是否真的将他们的身份与这些工具融合。 到目前为止，麦金的研究结果与比彻关于手-工具具身化的直觉，以及一些现代研究相矛盾，后者曾表明使用工具会改变内在的身体地图。
麦金的工作重点是更好地理解大脑如何才能最好地适应以最有效方式运行的人工肢体——因此她对确定具身化是否真实存在感兴趣。她还希望最终超越替换身体部位，尝试增强仍然完好的身体部位。她的实验室一直在与假肢设计师丹妮·克洛德合作，研究人们如何适应“第三根拇指”——一种机器人手指，用户将其绑在手上，并通过大脚趾远程控制。本周发表在《科学·机器人学》杂志上的一篇论文表明，人们可以学会使用拇指来增强手的功能——但它也提出了关于大脑中这种“可塑性”变化是否会改变，无论是好是坏，一个人对其生物学手的神经表征的问题。 麦金和她的研究生亨特·肖恩是伦敦垃圾捡拾者研究的共同第一作者，他们与《大众科学》谈论了他们最近一直在做的事情——即使在疫情席卷全球期间。
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[以下是采访的编辑稿。]
你是如何开始这项工作的？
亨特·肖恩：我们实验室有一位名叫罗尼·迈蒙-莫尔的博士生。她对假肢使用者是否将他们的假肢视为身体部位还是更像工具这个问题感兴趣。 因此，塔玛和罗尼进行了这项研究。 他们发现了非常有趣的结果，基本上表明，用户使用假肢越多，它就越不像手或工具一样在大脑中被表征。
塔玛·麦金：这是一个完美的测试案例，因为有人可能每天使用假肢 14 到 16 个小时。 假肢是一种旨在替代手功能的工具。 有一种非常主流的观点——它从哲学延伸到工程学、心理学，也延伸到流行文化——如果我们像专家一样使用工具，那么我们的大脑表征它们的最佳方式就是好像它们是我们身体的一部分。
你能描述一下为什么假肢的发现令人惊讶吗？
肖恩：这一切都来自工程界关于具身化的想法。 当[人们]使用设备时（特别是对于截肢者，他们正在使用假肢），他们主观上是否感觉它像是他们身体的一部分？ 这可能意味着，从神经学的角度来看，大脑实际上开始像身体部位一样表征该设备。 我们在这项工作中得到的惊人答案是，当你考虑大脑中发生的事情时——至少在我们研究的大脑部分——具身化的想法并不真正适用。
是什么导致了对垃圾捡拾者的研究？
麦金： 所以假肢研究的结果非常非常令人兴奋。 亨特渴望提出对这一发现的重复验证。[对于垃圾捡拾者]，我们认为[大脑足够聪明和灵活，具有足够的可塑性，可以提出新的解决方案来表征专家工具。 他们可以捡起非常不同的形状和重量——装有液体的杯子、香烟头。 他们表现得如此出色，这实际上令人印象深刻。
肖恩：就像替代手功能的假肢一样，我们试图找到一种工具，它是手功能的延伸——一种不同类型的工具——我们试图只找到专家，看看是否可以在这个群体中展示与假肢[那些]相同的结果。我们讨论了招募牙医和外科医生以及他们使用的工具。 罗尼认为，与试图寻找一群外科医生相比，垃圾捡拾工人可能更容易找到。 你在伦敦到处都能看到他们。
垃圾捡拾工具。 来源：亨特·肖恩
你们在实验中做了什么？
肖恩：我们专注于视觉皮层。 有趣的是，在视觉皮层中，你有一个大脑视觉区域，它代表手。 附近，有一个重叠区域，工具也在此处被表征。 这里是测试这个问题的完美区域，你可以在这里表征手和工具。 我们想知道当您成为工具专家时，这个空间会发生什么。
我们想以尽可能好的方式模拟垃圾捡拾者的体验，因为他们无法在扫描仪中使用垃圾捡拾工具。 所以我们制作了这些视频：视频显示一只手抓住——或一个垃圾捡拾工具抓住——一个物体，或者有人使用不同类型的抓取工具，例如钳子。 我们制作了 48 个独特的视频。
你们发现了什么？
肖恩：我们把所有人都放进扫描仪，并向他们展示了视频。 我们观察了大脑中这个区域的活动，这个区域是手和工具的重叠视觉区域。 我们观察了这些事物中的每一个是如何被表征的。 因此，我们使用了一种分析方法，该方法比较活动模式的差异——这意味着你可以看到大脑中以相似或不同方式表征的事物。
我们对每个不同的类别（手、垃圾捡拾工具、钳子）进行了分析。 我们比较了当参与者看到垃圾捡拾工具时，与看到手——或看到垃圾捡拾器与看到钳子相比，活动模式的相似程度。
具身化的想法是，当您使用工具时，您的大脑会更像对待实际的身体部位一样对待它。 这意味着手和垃圾捡拾工具将被更相似地表征。 但实际上，我们看到了完全相反的效果，这与我们在假肢研究中看到的结果相同。
麦金：这是第一组真正直接测试大脑如何通过解码人们的大脑活动来表征工具的研究。 以前从未这样做过。 因此，这是识别具身化——并[找到]非常有力的证据反对它——的最认真的尝试。
但这并没有最终否定具身化。 具身化是一种多方面的现象。 如果你问大脑，或者至少是视觉皮层，使用假肢较多的人，他们的器官对假肢的具身化程度较低。 但是，如果你问人们在使用很长一段时间后对假肢的主观体验，他们使用得越多，他们就越说它感觉像是他们身体的一部分。
人们体验假肢的方式与大脑表征它的方式之间的差距可以用这样一个事实来解释，即我们只是专注于大脑的特定部分。 对我们来说，它是完美的大脑区域。 但它只是一个巨大的、非常复杂的脑区网络中的一个脑区。 如果我们只关注拼图的一部分，那么对于大脑的其余部分来说，这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。 我看不到大脑模仿或建立在我们为手拥有的感觉运动基础设施之上的好处，来控制或表征与手如此不同的东西。 我们分别移动每一根手指的方式与使用垃圾捡拾工具进行的非常僵硬的单一运动非常不同，并且与您使用假肢可以做的事情也大相径庭。
如果假肢和垃圾捡拾器不是身体的延伸，那么它们在大脑中是如何被表征的？
麦金： 如果你看看那些擅长挑选鸟类或汽车的人，他们会开始在大脑中创造一种新的专业知识。 因此，他们会投入更多的大脑资源来表征鸟类和汽车。 并且他们正在提出比正常人更精细的对这种新事物的表征——你的大脑或我的大脑无法识别的东西。 以同样的方式，您可以成为使用假肢的专家。 您了解各种功能以及它们的重要性。 您开始提出对它的专家表征。 但这不是您自身身体的表征，而是物体的表征。 这就是我们通过对假肢使用者和垃圾捡拾者的 [功能性磁共振成像] 研究发现的。
你能详细说说你工作的未来方向吗？
麦金： 我有兴趣了解我们如何帮助工程师设计最好的假肢，因为目前，我们面临一场危机：工程师们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，设计师们非常着迷于具身化的概念。 他们试图设计与身体工作方式相似的假肢。 他们认为，假肢越接近手，大脑就越容易用假肢代替手。 我们的研究表明，“别费心了。 你大脑具有可塑性。 你大脑会提出表征假肢的最佳解决方案。 大脑知道它不是手。” 这令人兴奋，因为它邀请工程师跳出如何设计假肢的传统框架进行思考。 他们可以考虑新的工程方法。 谁说假肢必须看起来像手，而不是像章鱼的触手？
你们在这个领域还在做什么？
来源：Dani Clode Design 和伦敦大学学院可塑性实验室
麦金： 这也为运动增强开辟了非常令人兴奋的机会。 我们正在研究一种机器人手指，为拥有五根手指的健全人提供他们以前从未拥有过的额外身体部位。 大脑没有更多资源来支持这个新的身体部位，因为我们并非在基因上被设计为拥有六根手指。 但是，如果大脑具有足够的可塑性来为假肢提出新的解决方案，那么它也应该具有足够的可塑性，使我们能够利用这些新技术——例如第三根拇指。 我们非常幸运能与丹妮·克洛德合作，她设计了这种增强装置来扩展人们的运动能力。 我们正在使用该设备进行大量研究，以了解用户在使用额外的拇指时大脑会发生什么变化。
训练有素的拇指使用者表现出极大的灵巧性。 但是，如果人们一直使用人造拇指，是否需要更多研究来确定自然手的运动协调性会发生什么变化？
麦金： 使用拇指改变了人们协调运动的方式，我们认为这触发了手部表征方式的大脑可塑性。 这意味着，为了利用拇指——扩展运动能力——我们使用和表征身体的方式必须发生一些改变。 这绝对是一个以前从未提出的重要考虑因素，具有巨大的安全隐患。 如果我们要求工厂工人在工厂中使用额外的身体部位，这是否意味着他们在摘下该设备后开车回家时会更加笨拙？ 需要进行更多的研究，以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。