图片 4

用思想操控一头机械手?那不再是梦

原标题:科学家让你拥有“第三只手”,还能让你“灵魂出窍”

一直以来,假肢都是肢体残疾人士恢复正常生活的重要依托。然而,传统的假肢大多只能借由感知残肢的肌肉运动完成一些简单的动作。一方面,这令假肢的佩戴很不舒适;另一方面,对于双手残障的人士而言,尚不够平滑流畅的假肢动作也远未能满足其日常所需。如果能开发一种直接通过“意念”来操控的假肢,这无疑能大大提高上肢残疾者的生活质量。今天发表在《科学》(Science)杂志上的一项研究\[1\],则无疑向着这个目标迈进了一大步。

对于刚刚离开妈妈温暖子宫的小婴儿来说,外面的世界广大而又陌生,还有不少新知识等待他们去学习。与成年人相比,新生儿感知世界的方式也有许多不同。发表在《当代生物学》(Current
Biology)期刊的一篇论文就发现,在判断皮肤感受到的触觉刺激来自何方这个方面,小婴儿就与大人有着截然不同的表现\[1\]。较大的孩子和和成年人的触觉定位会受到“外部坐标”的影响,而在四个月大的婴儿身上,这种和外界的联系还未建立,他们只会从自身的“内在坐标”来进行感知。

作者:Ben Coxworth

在此之前,也有过类似的研究,不过这些研究都是在实验动物,比如说猴子\[2\]身上进行,但这一次,加州理工学院理查德·安德森(Richard
A.
Andersen)研究组的科学家们将这种技术移植到了人类身上。为了确保“意念操控假肢”能够适用于残障人士,研究团队特别招募了一名已经高位截瘫达十年的志愿者。

你的触觉定位系统,其实很容易受骗

如果有人有人碰了一下你的手、拍了一下你的肩膀,你肯定可以毫不犹豫地说出感知到触觉刺激的位置。但事实上,看似牢靠的触觉定位系统也很容易被“欺骗”。

“第三只手”就是一个经典的触觉“受骗”的现象。在卡罗林斯卡医学院的一项研究中,研究者们将一只橡胶手放在被试的手臂旁边,并用两只小刷子分别触碰被试右手和假肢的对应部位。结果显示,这样一个简单的动作就足以迷惑被试,让他们以为假手也是自己身体的一部分。当研究者突然用刀或锤子砸向橡胶手时,被试也会像自己的手受到攻击一样做出反应。

图片 1一个简单的动作,就可以迷惑人的触觉系统

也有研究发现,当成年人交叉双手时,对触觉位置辨别的表现会大打折扣。如果把食指和中指交叉起来,也会让触觉定位产生混乱。

这些现象其实都与人体内两套触觉定位系统的冲突有关。成年人的大脑若想确定一个触觉刺激的空间位置,可以参考的坐标系一共有两套。其中一套是我们自己的身体,其运作原理非常简单:左手感受到的刺激多半来自左边,右手则相反。另外一套坐标系则是外界空间方位,需要结合视觉、听觉和嗅觉等多种感觉信息才能正确把握,譬如,当你看到有人从左边碰你一下时,自然知道自己感受到的触觉刺激是来自左边。

在交叉肢体或者引入“第三只手”时,大脑会接收到来自内外两套坐标系相互矛盾的信息:明明是左手有感觉,但刺激却来自右侧。这时候,你就会发现触觉定位系统变得迟钝,一不小心还会给出错误的答案。

编辑:糖豆

图片 2现年32岁的病人EGS在12年前起颈部以下瘫痪。在加州理工学院这项研究的帮助下,EGS这些年来第一次用自己的“手”给自己递过一杯水。图片来源:Spencer
Kellis and Christian Klaes / Caltech

小婴儿不会犯同样的错误

那么,婴儿是不是也会有同样的反应呢?为了弄清楚这一点,来自伦敦大学的研究者们找到了一群年龄分别为4个月和6个月的小被试,检验了他们在不同躯体状态下对触觉刺激位置的判断能力。宝宝们胳膊太短,研究者便在他们的脚上粘好遥控振动装置,同时手动帮忙保持双腿交叉或不交叉的状态。振动刺激出现后,婴儿哪一边的腿先动,就说明他们认为刺激来自哪一边。

图片 3实验中的婴儿被试。图片来自:Jannath
Begum Ali

研究结果表明,出生后6个月的婴儿和成年人的表现相似,在双腿交叉时,他们对脚上触觉刺激的定位受到了影响,判断位置的正确率也随之下降到了50%左右。但是,出生只有4个月的小宝宝就不一样了,他们在双腿交叉时对触觉位置的感知和不交叉时并没有什么差别,反应的准确率保持在70%左右,他们整体的反应速度也比6个月大的婴儿要快得多。

这样看来,在4个月大的时候,婴儿们还没有建立起触觉与外界坐标之间的联系,他们只会以身体的“内部坐标”作为依据来感知触觉刺激的方位。由此还可以推测,人类利用多种感觉信息确定外部空间位置的能力很有可能是在出生后4个月到6个月之间建立起来的。在那之后,我们的大脑在内在和外在坐标相互矛盾时就会变得困惑不已了。

这种“交叉错觉”的现象听上去是感官准确性的退步,但事实上,这反而是件好事:它证明我们的大脑学会了如何将身体感受到的触觉信息与外界空间建立联系。而在这一联系建立起来之前,婴儿所感受的世界或许是我们成年人难以想象的另一种面貌,也是一个值得深入探索的有趣课题。(编辑:窗敲雨)

文章题图:shutterstock
友情提供

科学家们在瑞典斯德哥尔摩的卡罗林斯卡医学院(Karolinska Institutet
medical
university)完成了一系列的实验。在实验中,研究者们将一只橡胶仿真假肢放在志愿者手臂旁边,这样他们可以同时看到这三条手臂。为了使志愿者产生拥有假肢的感觉,研究者用两只小刷子分别触摸志愿者右手和假肢的相同部位。

他们首先通过功能性核磁共振(fMRI)找到了患者脑中与手部运动相关的脑区,然后在这些脑区植入了多个微阵列电极(electrode
array),这些微阵列电极可以实时检测相应脑区的活动情况,并且把这些信息实时反馈给计算机。经过一些功能测试之后,研究者相信他们凭借这些采集到的信息已经足以指挥一台机械臂。

参考资料:

  1. Ali J B, Spence C, Bremner A J. Human infants’ ability to perceive
    touch in external space develops postnatally[J]. Current Biology,
    2015, 25(20): R978-R979.
  2. Heed T, Azañón E. Using time to investigate space: a review of
    tactile temporal order judgments as a window onto spatial processing
    in touch[J]. Frontiers in psychology, 2014, 5.

图片 4

随后,研究者将一只真正的机械臂与计算机连接,在计算机的帮助下,志愿者仅仅依靠想象就操纵机械臂完成了指定任务。从握手到递水、从按搅拌机遥控到“石头剪子布”,志愿者对机械臂的控制正在向真正的“如臂使指”靠近。

图片来源:Henrik Ehrsson

EGS通过意念操纵机械臂给自己从桌上拿喝的。视频来源:Caltech team

这场研究的管理者之一Arvid
Guterstam说:“这时,志愿者的脑海中会产生一种错觉,到底那一只手才是自己的?大家都清楚地知道:只有一只手臂属于自己的身体。但是最终我们惊讶地发现大脑解决这场冲突的结果是:接受这两只右手都是自己的,也就是说,志愿者产生了拥有第三只手的感觉。”

这项新突破为今后的神经义肢技术(neuroprosthetics)提供了很重要的参考,或许有一天,上肢残障人士真的可以拥有能够媲美人手的替代品也说不定呢。