组装复仇者：钢铁侠的大脑内部

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。

当我刚开始看漫画书时，有很多超级英雄让我感兴趣。当然，这个名单包括蝙蝠侠、钢铁侠、超胆侠、美国队长、雷神、新星、闪电侠、黑豹、幻影侠等等。

我最喜欢的是团队合作，每页都能看到更多的英雄。像神奇四侠、正义联盟、正义会社、捍卫者以及异人族、入侵者和超级英雄军团这样的经典组合。不过，对我来说，排名第一的始终是“复仇者联盟”。毕竟他们是“地球上最强大的英雄”。

复仇者联盟也是地球上的超级科学家团体。在 1963 年的首部故事（当然是由斯坦·李撰写）《复仇者联盟的到来！》中，最初的阵容包括钢铁侠、蚁人、黄蜂女、雷神和绿巨人。这可以说是史上受教育程度最高的超级英雄团体，嗯，集结。

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该团体中的科学家包括布鲁斯·班纳博士（原子物理学家，绿巨人）、托尼·斯塔克（钢铁侠，可能没有博士学位，但拥有麻省理工学院的 2 个工程硕士学位）、汉克·皮姆博士（亚原子物理学家，蚁人）、珍妮特·范·戴恩（不确定她的培训情况，但作为第一代黄蜂女，她对实验室了如指掌）以及唐纳德·布莱克博士（医生和外科医生，雷神）。

这是一个由科学界的重量级人物组成的阵容，即使是我的科学界超级英雄之一弗朗西斯·培根爵士也会感到自豪。即使承认绿巨人四处破坏时，我们通常不会获得关于希格斯玻色子的见解，而雷神通常也不试图帮助治疗伤病，情况仍然如此。尽管如此，我还是要给最初的复仇者联盟阵容打一个科学家方面的 A+ 级，即使并非总是为了科学本身。

2012 年的《复仇者联盟》电影重新构想了起源，并使用了与优秀的漫威“终极”故事线更接近的情节。本着重塑和重新构想故事线的精神，在这篇文章中，我想专注于将科学的镜头转向老好人“壳头”钢铁侠。

钢铁侠是少数代表了对可能性的更“现实”解读的超级英雄之一。正如我在《发明钢铁侠：人机合一的可能性》中所写，他的起源故事有一些非常合理的部分。这使得他作为一个角色更容易接近。但这里的主要重点是进入这位金色复仇者的头脑——将钢铁侠外骨骼与托尼·斯塔克的大脑连接起来。

钢铁侠大脑中可塑的地图

从子宫内开始，身体各部位的运动和感觉输入和输出的校准就开始了。这个过程在你的一生中一直在你的大脑中进行。这导致神经元在你的大脑的躯体感觉和运动部分中进行松散的“映射”。因此，你的大脑中存在你身体的多种表征。这产生了我们的自我意识、身体“形象”和身体“图式”。

这些表征在你的一生中随着你身体大小的变化以及你所经历的经验而得到完善和调整。除了可能发生肢体丢失或截肢的悲惨事故之外，你的身体一直 24/7 与你同在。你的身体就是你，它一直都在。

事实证明，工具的使用可以改变这些表征。但是我们使用的工具不是我们身体的一部分，而且不会一直与我们同在。至少在物理上不是。但是它们在我们的头脑中与我们同在吗？我们只在需要时才使用工具（我们始终需要我们的身体）。事实证明，我们大脑中身体的感觉图可以被重塑，以包括我们使用工具的方式的部分。

这种与工具的融合被称为“具身”，反映了你的神经系统为了让你保持完全功能所经历的可塑性。这个过程受到移动工具的感觉和从看到自己使用工具中获得的视觉输入的强烈影响。

我的钢铁侠书的主要前提是，为了让托尼·斯塔克的外骨骼像我们在漫画、图画小说和电影中看到的那样工作，它需要直接连接到用户的脑部和脊髓。它需要是有史以来最奇妙的脑机接口。

我对钢铁侠的看法与沃伦·埃利斯在漫威钢铁侠“绝境”故事弧中所创造的版本非常相似。沃伦提出了神经系统和高度模块化的盔甲之间嵌入式接口的概念。从广义上讲，这真的是它工作的唯一方式。但是，如果存在这样的终极脑机接口，那么这样的“工具”可以被纳入真实人脑的皮质表征吗？

将你的触及范围延伸到你的掌握之外...

由卢西拉·卡迪纳利领导的法国和意大利科学家在 2009 年的一项非常简单但巧妙的研究中证实了工具使用带来的大脑可塑性。他们开发了一种长手持式“抓取器”，类似于那些用于清理公园和街道上的垃圾，而无需用户弯腰的抓取器。

在这个实验中，研究人员要求参与者练习使用抓取器在桌子上拾取和移动物体。他们在使用抓取器之前和之后测量了伸手和抓取的动作。令人惊讶的是，即使在不使用抓取器的情况下，练习使用抓取器也会改变后来的手臂动作！

指向动作发生了变化，参与者感知手臂长度的方式也发生了变化。他们认为自己的手臂更长了，可能是因为该工具使他们可以伸得更远。从大脑内部的功能角度来看，他们的手臂更长了，因为他们可以使用抓取器伸得更远。

这种可塑性与由于使用工具而改变大脑中的身体地图有关。工具赋予我们不同的能力，例如在本例中伸得更远，而这种功能的改变会推动大脑发生可塑性的变化。这种可塑性的强度和长度并不完全确定。

这些变化是否可以变得足够持久，从而成为新的表征或地图的真实记忆？我们知道，肢体截肢会导致地图发生变化。它会导致这些地图中的一些区域清空，并被其他区域的脑细胞接管。相反的观点，也就是说，当你在已经完整的地图上添加一些东西时会发生什么，还没有得到很好的理解。

进入外星手臂...

使用大脑控制的神经假体的灵长类动物研究表明，仅在几周后就会发生非常明显的变化。这些“假体运动记忆”是长期记忆的特征。因此，大脑似乎可以将外来部分纳入这个图式中。

这个将外来部分纳入身体的想法在 1998 年由匹兹堡卡内基梅隆大学的马修·博特维尼克和乔纳森·科恩提出。他们进行了现在被称为“橡皮手错觉”的实验。

这些科学家使用真人大小的橡皮手臂作为“外星肢体”，将每个参与者的左臂隐藏在遮光屏幕后面。然后，参与者将视线集中在这个“外星肢体”上。实验人员使用小画笔，同时抚摸（完全可见的）外星手和（隐藏在屏幕后方不可见的）真手。经过 10 分钟的这种条件反射后，参与者被问到了一些关于体验的问题。

一些答案令人震惊。他们暗示了一种错觉，这种错觉提供了外星肢体上的触觉，而不是真手上的触觉。也就是说，他们似乎感觉到看到的画笔的触摸，就好像橡皮手实际上感觉到了触摸一样。一位参与者说：“我发现自己看着那个假手，认为它实际上是我自己的。”这种强大的错觉现在已在许多其他实验中采用，并取得了类似的惊人结果。

由亨利克·埃尔松领导的一个瑞典科学团队将“橡皮手错觉”扩展到了上肢截肢患者。使用与上述初始实验类似的程序，他们创造了一种具身感，即橡皮手实际上是附着在截肢肢体曾经所在的残肢上的真手。

尽管这种错觉在身体健全的人身上效果良好，但研究人员不确定它是否仍然会在截肢后起作用。实际上，三分之一的截肢患者发现了强烈的错觉。有趣的是，在截肢后尽快进行测试时，错觉更加强烈。

这种错觉非常强大，以至于在某些情况下，突然将注射器插入橡皮手会产生焦虑的生理反应（皮肤电导的变化），如果这只手是他们身体的一部分，就会发生这种情况！显然，正在发生一个“具身”的过程。这个小组最近做了一些事情，为我自写《发明钢铁侠》以来一直困扰我的问题提供了一些答案。

保罗的难题...

就是这样：我真的不明白钢铁侠的盔甲会在托尼·斯塔克的躯体感觉和运动皮层中如何体现。上面我们讨论了我们如何通过练习使用工具和对肢体截肢等创伤做出反应来重塑我们的身体图式。但是这些方法都利用了存在且被重塑或丢失并被重用的神经元区域。那么像全新的身体这样的全新事物呢？这就是下图要展示的含义。

埃尔松团队的一项实验帮助我们找到了答案。他们没有直接跳到拥有全新身体的想法，而是提出了这样一个问题：“在不久的将来，我们是否有可能重塑人体，使其拥有额外的肢体？比如，第三只手臂帮助我们去当地杂货店购买每周的用品，或者额外的假肢帮助瘫痪的人？” 这些问题与考虑穿上钢铁侠外骨骼的问题是同等重要的。

为了验证是否真的可以欺骗大脑，让它认为你拥有额外的手臂，他们使用了“橡皮手错觉”的变体。其中，一个非常大胆的举措是将第三个肢体——橡皮手臂——放置在人的实际手臂旁边。所以它完全暴露在视野中。然后，他们进行了基本的操作，即刷拭真实的指头和橡皮手的指头，而参与者则在一旁观看。

当然，橡皮手错觉再次奏效。这个巧妙的实验包括各种控制条件，甚至一些生理指标，如皮肤电反应，都表明假肢甚至可以被危险“威胁”（这次是用刀切割）。结果表明，参与研究的人感觉自己好像有了第二只右手！

这篇论文的结论段落如下：“因此，在某些情况下，健康的人可能会体验到似乎违反人体结构的躯体感觉。”这项现实生活中的研究工作是我发现的，最接近回答是否存在足够的神经可塑性来适应完整的钢铁侠外骨骼的答案。答案是暂时的肯定！

关于机器、人与思想

旨在融入用户身体图式的假肢或外骨骼需要包括传感器和反馈。例如，钢铁侠盔甲手指上的传感器可以用来激活大脑中通常从真实手指获得感觉的区域！其想法是，随着时间的推移，来自人工传感器的感觉将融入个人的感知中，使他们与身体“合二为一”。这就是具身认知。

这意味着钢铁侠盔甲应该在手指、手、脚趾等通常在托尼·史塔克身上激活的部位安装传感器。通过这种方法，托尼就会像他在《钢铁侠2》中宣称的那样，“钢铁侠的盔甲和我合二为一”。

由于科学和科幻之间的界限非常不稳定，因此真实的实验工作表明这非常有用，这不足为奇。2010年，芝加哥大学的Aaron Suminski、Nicholas Hatsopoulos及其同事使用一个覆盖在猴子手臂上的“袖子”，帮助它们学习如何通过记录运动皮层的活动来移动电脑屏幕上的光标。

加入来自机器人肢体的感觉提高了学习脑机接口指令的能力。芝加哥大学的科学家让猴子同时使用视觉和躯体感觉反馈，它们学习控制光标的速度和准确性都比没有这些感觉时更快。

早在2011年，我的《发明钢铁侠》一书出版几个月后，就有人要求我对即将发表在《自然》杂志上的一篇论文发表评论。由脑机接口领域的先驱和领导者Miguel Nicolelis领导的杜克大学神经工程中心的研究团队，使用大脑活动训练两只猴子来控制和移动虚拟手。

这个实验的关键——也是使用虚构的钢铁侠外骨骼进行功能训练的必要条件——是使用了大脑感觉和运动部分的电活动。运动信号被用来驱动控制器，然后当猴子做出准确的动作时，通过刺激感觉皮层直接向大脑提供反馈。这一巨大进步实际上为大脑提供了模仿运动中感觉输入的电刺激模式。

这实际上是在问，当你把工具的使用——钢铁侠盔甲是工具——推向极致时，会发生什么？如果工具是身体的代表，大脑会发生什么？如果我们增加大脑中身体的表征，而不是先移除一些东西，那么身体图会发生什么变化？

与此相关的神经可塑性会影响你的大脑和真实身体之间的联系吗？可塑性——重塑——会有多强？如果你使用得太频繁，你会忘记如何使用自己的真实身体吗？仍然有很多问题。还有很多工作要做。借用一点物理/工程/数学的术语，仍然存在一些“非平凡”的问题。

关于非平凡问题的一些琐事…

一个主要的非平凡问题与生物学中的“形式与功能”关系有关。关于身体的大部分，最酷的事情是你可以从解剖结构（它的样子）中了解到很多关于生理学（它的工作原理）的信息。功能源于形式。

在你的心血管系统中，你有一个大型的肌肉泵，即心脏，它接收并将血液泵送到全身。仔细观察心脏以及进出心脏的所有管道，可以合理地估计它的作用以及血液如何在体内流动。

在人类神经系统中，你有一个包含约 1000 亿个神经元的大脑。这 1000 亿个神经元平均可能与其他神经元有约 5000 个连接。这可能会产生约 100 万亿个连接。一个相当大的数字。远大于估计宇宙中星系的估计数量（2000 亿到 5000 亿之间）。总的来说，这是一个需要考虑的巨大连接数量。

这部分允许神经系统呈现更广泛的范围。并不是因为解剖结构难以理解，或者大脑不同区域内的结构复杂得多。它当然是复杂的，但是来自这 1000 亿个神经元的连接的一般特征形成脑内的通路和连接带，可以合理地识别（大部分情况下）。

真正的非平凡问题来自于大脑的功能——行为——无法直接从解剖结构中预测。进入这 100 万亿个连接。关键是，大脑中的网络活动是从任何给定时间活跃的突触连接的活动中产生的。这是一个不断变化的、网络活动的景观。

为了简单近似这种复杂性，想象一下你坐在地中海波涛汹涌的船上。你周围的船只都在上下起伏，因此在任何给定的时刻，你都会看到不同的船只。这些船只都代表神经元之间活跃的连接，当你看到它们时，它们就会表达出来，而当你看不到它们时，它们就会被沉默。为了完成这个比喻，乘以数万亿。

这些问题的真正答案还在前方。在我们等待这些答案并努力寻找解决方案的同时，让我们用我最喜欢的神经科学语录之一来结束。南非动物学家Lyall Watson (1939-2008)写道：“如果大脑简单到我们很容易理解它，我们就会简单到无法理解它。”

幸运的是，为了我们和知识的进步，有很多科学家一直在努力阐明人脑的功能。以真正的“复仇者”风格，他们的努力的活力和严谨性弥补了简单性的缺乏。我期待着未来的发展。这些发展可能会受到小说的启发，但却是为神经康复的新现实而创造的（见下图）。