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人类在手的灵巧性方面在动物界无人能及

导读 人类在手的灵巧性方面在动物界无人能及。我们使用工具、握笔、线针等,很少考虑用指尖精确施加力时神经系统面临的挑战。一组研究人员着手寻

人类在手的灵巧性方面在动物界无人能及。我们使用工具、握笔、线针等,很少考虑用指尖精确施加力时神经系统面临的挑战。一组研究人员着手寻找用我们的指尖抓握的东西,这对人类的手部灵巧性至关重要。今天发表在 《国家科学院院刊》上的研究 结果为人类手部的神经控制和进化带来了新的理解,并可能带来了帮助残疾的新方法。

在机械工程与材料科学副教授Madhusudhan Venkadesan的带领下,研究人员研究了用尖端施力时手指的稳定性。具体来说,他们研究了所谓的“精确抓握”,即食指处于弯曲姿势,例如穿针或处理精细物体时。这种握法的问题在于手指有一种自然的突然弯曲的倾向,这是一种关节的快速弹响运动。保持稳定的抓地力,没有任何形式的手指屈曲,对于捡起东西和其他日常任务至关重要。那么是什么让我们的手指一直不弯曲呢?

“力学的经典结果预测,与关节相连的一系列杆,称为机械连杆,在它们被压缩时会弯曲,”主要作者、Venkadesan 实验室的前博士生、现在是博士后学者 Neelima Sharma 说在芝加哥大学。“这就像一根细线,如果你试图沿着它的长度挤压它就会弯曲。手指也像这些连杆一样,指尖的力量会产生使手指弯曲的效果。” 为了了解我们的手指弯曲的速度有多快,他们进行了一项实验,要求人们用弯曲的食指尖在平坦的表面上尽可能用力推动。手指大部分时间都保持稳定,但偶尔会折断和弯曲。研究人员想知道我们的反应在多大程度上是维持稳定的原因。

“整个捕捉动作非常快——大部分时间不到 50 毫秒,”Venkadesan 说。通常,来自指尖的神经信号到达脊髓和背部大约需要这么长的时间。“因此,几乎没有足够的时间——而且很可能根本没有足够的时间——来稳定反射反应。”

如果不是神经反射,是什么让我们的手指保持稳定?研究人员认为,我们肌肉的类似弹簧的动作可能是原因。但他们为手指开发的数学模型预测,使用肌肉提供刚度会以降低力量为代价。因此,他们进行了另一系列实验,通过将夹板固定在手指关节上来施加外部刚度,让肌肉专注于力量而不是稳定性。

“当我们添加夹板时,每个人都更强壮了,”文卡德桑说 - 平均强壮了 30%。研究人员更感兴趣的是这些收益在受试者之间是如何变化的。“我们想了解为什么它因人而异。你看到的是,减少共同收缩的人可以产生更多的力量。” 共同收缩是多块肌肉同时收缩,可以帮助我们增加刚度,例如通过收缩大量肌肉来拉紧身体。

他们得出的结论是,精确抓握的运动技能来自于手指稳定性、力量和灵活性之间的权衡,这需要对多块肌肉进行仔细的神经控制。抓握时,手指关节两侧的肌肉会共同收缩以稳定关节,但会降低手指的力量和顺应性。

Venkadesan 将手指、手和手臂比作木偶,它的弦是肌肉和肌腱。“你的神经系统必须小心如何协调所有这些肌肉来操作这个木偶并保持它稳定,”他说。“一旦了解到这一点,稳定的行为就会由于系统的机制而发生。”

通过对这些力学进行数学建模,研究人员能够确定它们并不是手指所独有的。“这是一个更普遍的问题,适用于任何多链接的身体部位——整条腿,整个身体,”他说。“这种三向权衡的某些版本——稳定性、强度和灵活性——不可避免地适用。”

除了开辟治疗损伤和建造假肢的途径外,这一观察手和其他肢体工作的窗口还为人类早期进化提供了一些探索方向。“在权衡取舍方面,某些手部形态是否比其他形态更好?大约 3 到 400 万年前,我们最早的双足祖先的手与现代人的手相比如何?有很多悬而未决的问题需要解决。”

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