大脑是如何控制双手的？

泰合新创

人类使用工具已经有数百万年的历史了。在整个动物界，只有人类拥有无与伦比的设计、制造和使用工具的独特能力。工具的使用被认为是人类物种的一个决定性特征，它的出现标志着人类和亲缘关系最近的灵长类动物之间开始出现的重大分裂。
一直以来，科学家都希望能更好地理解工具使用（比如握住一把刀的刀柄进行切割）背后的大脑机制。研究这些问题具有很重要的意义，比如它能有助于为神经假体（装有假体的人通过大脑控制假体）的发展铺平道路。
然而，大多数关于工具使用的大脑机制的神经科学研究，记录的都是当人们在看到工具或手的图像时所产生的大脑活动，而非人们正在使用工具进行实际的手部动作时的大脑活动。这是因为直接在人类使用工具时记录大脑活动是件非常困难的事——被用于记录大脑活动的磁共振成像（MRI）扫描仪的内部空间很小，而且在被扫描时，被扫描的参与者需保持静止。
可是，对图像的感知和在实际中操作 3D 物体是非常不同的，即使你能识别出图像中的工具，你也不会去试图抓取或使用这张图中的工具。因此，对于人类大脑是如何控制双手以正确地抓取物体（如工具）的机制，科学家并没有清晰的答案。


从过去的一些研究中，科学家已经知道，当我们看到工具的图像时，被激活的大脑区域是不同于当我们看到其他 3D 物体（如一张椅子）时的。一直以来，科学家都假定这是一种进化特征——为的是能够最优化与工具有关的手部动作的处理，但并没有人对此进行过直接调查。
在最近的一项研究中，一组研究人员想知道对于一个 3D 物体，人类大脑是否能依据我们如何抓取它来进行自动处理。他们尤其想知道，人类是否可以利用大脑的某些特定部位的信号来区分人们是否在正确地使用某个工具。
研究人员先是通过 3D 打印技术，用非磁性材料制作了一些用于实验的物体，一组是日常厨房用具，比如塑料刀、披萨刀、汤匙；还有一组是 3D 打印的条状物，它们代表的是非工具类物体。
他们还制作了一种非常特殊的装置，从而即使在磁共振扫描仪的有限空间内，也能直接研究参与者的真实手部动作。在实验过程中，参与者会在黑暗的环境中躺在一张特制的床上，床上有一张旋转的桌子，桌子被安装在参与者的腰部以上，参与者可以抓取摆放在特制桌子上的那些非磁性 3D 物体。
有 20 名志愿者参与到了这项实验中，研究人员使用的是一种被称为功能磁共振成像（fMRI）的特殊成像技术对参与者的大脑进行了扫描。
在实验的第一个阶段，研究人员要求参与者正确或错误地对工具和其他物体进行抓取。在实验的第二个阶段，研究人员要求参与者回到扫描仪前，但这次他们不用动手，只需观看工具、手和其他物体的图片。他们分析了参与者在看到工具和手的图片时的大脑活动，并识别出了对手的图片会做出反应的大脑区域。
接着，他们利用机器学习来解码大脑中的活动，以检测能否预测人们是否可以抓住工具的手柄。在工具的使用中，懂得抓住工具的手柄而非物体本身（比如抓住一把刀的刀柄而非刀刃）是非常关键的一点。


结果表明，他们的发现与大多数科学家所预期的相反：通过对手的图片作出反应的大脑区域所发出的信号，他们可以预测出参与者是否正确地抓取了工具的手柄；而通过对工具的图片做出反应的视觉区域所发出的信号，他们无法做出正确的预测。重要的是，来自处理手的图像的大脑区域的信号，只能用于预测在持有工具时的手部动作，而不能预测持有的是代表非工具的条状物时的手部动作。
这是首个关于人类大脑是否能自动处理 3D 物体的研究。研究人员通过核磁共振数据，分析了当人们在使用工具时，大脑的哪个部分会被使用。
这一发现改变了我们对大脑如何控制双手的基本理解，帮助我们理解那些之在人类大脑中得到了进化的大脑区域。在未来，研究人员可以利用手的视觉区域的活动，来改善脑驱动界面和假肢，或者预测脑损伤患者的康复，对人类的健康产生重要影响。