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更新日期:106年3月10日

臺大學術卓越系列報導--理學院腦功能影像研究成果

理學院於 2015 年成立「身體、心靈與文化整合影像研究中心」,結合人文與社會科學、自然與生命科學、工程與醫衛科學等方面之人才及知識,探討人類的身體、心靈、與文化彼此間如何進行雙向互動。此研究中心致力於推動腦與心智關係的研究,以期有助於大腦研究在國內的人文社會科學領域生根,同時發展出研究特色,對國際學術社群做出特殊的貢獻。

人類的心智活動,是神經系統運作的結果。因此,從上個世紀初開始,科學界也一直希望能藉由對神經系統的了解,來理解人類的心智活動。然而,傳統的量測神經活動的方法,不管是物理(如電生理)還是化學(如心理藥物學)方法,都是侵入性的,甚至會對受測者造成永久性的傷害。 這技術與研究倫理上的限制,一直困擾著相關研究的進展,直到世紀之交在神經造影技術上的突破,才讓科學界有辦法用非侵入性的方法,即時的量測神經系統的活動,並與人類心智行為做聯結。

近年來,非侵入性的大腦功能研究方法快速發展,磁振造影(Magnetic Resonance Imaging,簡稱MRI)、腦磁波 (Magnetoencephalogram,簡稱MEG)、腦電波(Electroencephalogram,簡稱EEG),以及跨顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,簡稱TMS)等神經影像研究工具與方法,讓心理學家對於人類心智運作的機制有了更深入的了解,也得以重新檢視心理學理論,針對不同的個體,規劃課程、治療與復健方法,也能根據不同作業情境,設計更適用的人機界面與訓練。舉例來說,我們不但可以使用磁振造影掃描大腦結構,當個體從事特定各種心智作業時,更可藉由功能性(functional,簡稱fMRI)的研究方法,使用功能性磁振造影技術探討大腦與行為間的關係;為了貼近內在心理歷程快速變動的特性,也可以使用腦電波或腦磁波作為測量工具,以其千分之一秒的時間解析度,結合有效的實驗設計,精確地反映出個體心智運作時大腦神經反應的動態性變化;更可以透過跨顱磁刺激的技術,使用安全且短暫的磁場脈衝刺激,干擾或興奮特定腦區的神經運作,以探討大腦與行為的因果關係。「身體、心靈與文化整合影像研究中心」成立的宗旨,便在於整合上述的技術,研究心智相關的議題。

本文依循心智歷程的神經活動運作次序,區分為三個階段,分別為早期的視知覺處理,連結早期視知覺及後續更高層次的注意力與短期記憶,及經驗文化層次的語言處理。這三個階段的研究報導,分別由一位教授呈現相關的成果介紹。

早期視知覺處理的神經機制:心理系 陳建中教授

當一個影像進入眼睛後,會激發視網膜上各個感光細胞的反應。這樣的運作,等於是把一個影像分解成上億個光點。隨後,大腦的初階視覺皮層再從這些光點中擷取局部性的影像部件(如,線段、色塊等);次階視覺皮層則進一步的從初階視覺皮層的反應中組合出像角落、邊界等較複雜的影像部件;三階、四階乃至更高階的視覺皮層則一步步的整合出更複雜的影像部件直到形成對一個完整物件 (如,人臉、桌椅等) 的知覺表徵。陳建中教授研究的課題即是利用功能性磁振造影探討視覺系統如何整合一個影像中零碎的部件,以形成完整的物件知覺。

功能性磁振造影是現在一個常用的神經造影方法。它的原理是在量測由神經活動引發的腦皮層微血管中微弱的磁場變化。神經細胞的反應是一個複雜的代謝過程,需要消耗大量的能量與氧氣,因而當神經細胞活化時,便會從微血管中抽取氧氣來推動一連串的化學反應產生能量,而微血管含氧量的降低會引發血液動力反應,將大量的帶氧血補充至受影響的微血管中。由於帶氧血紅素本身是順磁性而去氧血紅素則為逆磁性。當置身於磁場環境中時,他們會對周遭的磁場形成不同的干擾作用,所以,血管中帶氧血紅素濃度的改變會使周遭磁場強度產生局部差異。腦皮層中不同位置及時間點的局部磁化強度差異則可由磁振造影所量測,從而讓我們推估腦部神經活動的強度及範圍。

影像部件的整合,所依靠的是對不同影像位置反應的神經細胞之間的交互作用。然而,視覺功能性磁振造影最重要也是最穩定的現象就是網膜拓樸對應(retinotopic mapping),亦即視野中的任何一個位置都會引發一個視覺區某一位置的反應。換言之,影像的位置和神經反應的位置有一對一的對應關係。觀察到這現象的條件,不僅是當一個視覺刺激呈現的時候會引發相對應的大腦反應,也必須不對應於視覺刺激的大腦區域沒有反應。因此,這樣的現象其實是否定了用fMRI直接觀測視覺皮層中神經之間互動的可能。所以,我們必須採取一個比較間接的手段,來瞭解視覺神經之間的交互作用。

我們首先所使用的方法是閃動後像(Twinkle aftereffect)。這個現象是在研究人造網膜視野缺損(Artificial Scotoma)時所發現的。視野缺損原來指的是網膜上的損壞,使得病人無法看到部分的影像。就正常人而言,研究者也可以用人為方法來製造類似的現象。假設在視野中有一塊灰色空白的方框,四週環繞著黑白光點閃爍約3-5秒鐘之後,觀察者就會覺得這些灰色空白的區域就不見了,而只會看到閃動的光點。反而是在把光點移除以後,在原來空白的地方,會產生光點閃爍的後像。易言之,後像產生的位置是從頭到尾都沒有接收到視覺刺激的地方,這和一般必須經由長期暴露在某種視覺刺激之後所產生的後像恰好相反。我們重複讓受試者觀察4個錐形的棋盤方格21秒鐘再休息21秒鐘數次。結果初階視覺區中相對於空白區域的活化恰好和刺激出現的時間相反。這是由於對周遭的光點反應的神經,抑制了空白區域所對應的神經。由於神經反應的時間特性,被抑制的神經在刺激消失之後,會產生反彈,以維持神經反應的守恆。這樣的反彈也是神經反應的增加。對於視覺系統而言,這和實際的光點閃爍造成的反應是一樣的。所以視覺系統就把這樣的反彈解釋成實際上的光點的閃爍,因而產生後像。

其次,我們利用了共線效果,亦即對共線的兩個刺激反應的兩組神經之間的互動,遠大於對兩組不共線刺激反應的神經。我們的實驗刺激一共含有三種成分,包括目標刺激以及兩種伴側刺激(flanker)(圖一A)。目標刺激為位於螢幕中央的正弦波形光柵。第一種伴側刺激位於目標刺激共線的位置;第二種伴側刺激則在目標刺激兩側。伴側刺激也為正弦波形光柵,其指向可能為與目標刺激平行或正交。我們先量測目標刺激出現的腦部反應(圖一C)。接著測量不同情況的伴側刺激下,目標刺激引發之腦部活化的差別(圖一D, E)。結果顯示,所有的伴側刺激皆會使目標刺激引發的腦部活化下降,這種抑制會在伴側刺激與目標刺激指向相同且共線時最為強烈(圖一D)。因此,我們發現了兩種不同的側抑制,其一為一般性抑制,只要伴側刺激存在就會產生,並且對於伴側刺激的空間組態不敏感。其二則是空間組態特定的抑制, 與行為上的共線效果相關。

圖一、A. 實驗刺激含有三種成分,包括目標刺激以及共線、側翼兩種伴側刺激伴側刺激指向可能為與目標刺激平行(左)或正交(右)。B. 將凹凸不平的大腦透過算則”吹脹”後投影在平面上以利視覺化。C. 界定各刺激成分的反應區域及強弱。D。平行伴側刺激對大腦反應的影響。E. 正交伴側刺激對大腦反應的影響。

人類注意力、知覺處理與短期記憶的認知神經科學研究成果:心理系 郭柏呈助理教授

當個體注意到外在世界的刺激後,即使刺激的物理特徵已經消失,但這些刺激訊息仍能被短暫地保存在短期記憶或工作記憶當中,以支持更高層次的認知處理,如長期記憶、語言、推理、思考與決策等歷程。然而,個體的心智運作有其處理容量限制,此一限制使我們必須根據作業情境與脈絡,彈性地調整作業目標與期待,以因應隨之而來的作業挑戰或心智任務。因此,為了瞭解人類認知處理容量的限制,心理系郭柏呈助理教授的研究主要使用多種神經影像技術與心理學實驗方法,探討人類注意力對於知覺與短期記憶表徵的調控,以及這些心智歷程運作與互動的認知與神經機制。

郭教授最近的研究發現,當個體從外在知覺環境與內在記憶表徵中進行搜尋與選擇時,能夠根據當下的作業脈絡,採取偏好性競爭 (Biased competition)的模式調節注意力,即透過注意機制排除與當下作業脈絡無關的干擾訊息,進而偏好目標項目,讓其從眾多競爭訊息中脫穎而出,個體因此可以有效地選擇與作業要求或與當下行為期望相符合的目標訊息。郭柏呈助理教授與英國牛津大學的研究團隊合作,結合功能性磁振造影與腦磁波儀等研究工具,發現個體無論是在知覺中或短期記憶裡搜尋與選擇的特定目標時,都使用了共同的神經機制,均涉及大腦前額葉、後頂葉,以及視覺皮質的神經活化,更重要的是透過這些腦區神經訊號的共振與溝通,即前額葉與後頂葉神經網路與視覺皮質能有效地協同運作(請參考圖二),使個體進行動態性的注意力調節控制,成功地搜尋與選擇作業目標並完成心智作業。

圖二:知覺(視覺)搜尋與記憶搜尋所涉及的大腦區域(紅黃色:前額葉與後頂葉神經網路;藍色:視覺皮質)(A);個體進行視覺搜尋時,前額葉與後頂葉皮質神經訊號與視覺皮質神經訊號,在知覺搜尋刺激出現後約200 ms即產生訊號相位共振(B、C、D);個體進行工作記憶搜尋時,前額葉與後頂葉皮質神經訊號與視覺皮質神經訊號,在記憶搜尋項目出現後約200 ms產生訊號相位共振(E、F、G)。進行視覺搜尋與工作記憶搜尋時,前額葉與後頂葉皮質神經訊號與視覺皮質神經訊號的共振均具有空間拓樸對應關係。

經驗文化相關的語言腦造影研究成果:心理系 周泰立教授

語言是人類獨具的心智運作,這項獨特性也反映在腦功能的神經機制上面。經由系統性地比較人類與動物的大腦結構差異,發現在左腦半球的下額葉(inferior frontal gyrus)與下頂葉(inferior parietal lobule)兩個腦區(見圖三),是人類與動物大腦結構差異最大的地方。在語言發展的腦功能研究中,也發現了左腦半球的下額葉與下頂葉扮演了重要的角色,語言發展的神經機制在這兩個一前一後的腦區中,出現了明顯的年齡變化。所以人類語言使用的獨特性,與大腦結構的差異性,有著密切的對應關係。

人類語言發展的特點,從早期的聲音使用,單字的出現,到達精熟地運用句子,每個階段背後都對應著複雜的心智運作歷程。其中的關鍵之一,就在於經由發展學習中,觀察字音、字形、字義的對應規則,進而達到理解溝通的目的。透過觀察隨著年齡的成長,兒童對於概念的動態處理,如何逐漸發展純熟如成人一樣,將能對於語言發展的心智運作歷程有更清楚的瞭解。

中文在字形,字音,及字義的處理上,呈現與拼音文字(例如英文)不同的方式。這些語言處理上的差異,如何在孩童發展的過程中彰顯出來,使得我們可以理解文化差異如何塑造語言處理的神經機制,以及幫助我們探索語言功能缺陷的孩童的生理基礎。使用功能性磁振造影,心理系周泰立教授過去的研究發現語言發展的動態處理,需要尋找正確概念的歷程,稱為語意搜尋(semantic search)。以閱讀中文及英文為例子,由於這兩種語言的文字特性不同,因此會對孩童學習每個字的字形及字音之間的對應關係有不同的影響。屬於拼音系統的英文,多數的字彙皆符合形音對應規則易預測,但中文在字形、字音、字義上卻沒有一致的對應關係存在。多數的英文字是多音節的字彙,中文的字彙則是以單音節組成,因此中文有大量的同音字。在日常生活對話裡,如果中文字沒有上下文語意訊息的輔助,將難以確定所指稱是哪一個字,這樣的情況將會增加語意搜尋的困難度。研究發現這種語意搜尋的能力,與年齡的變化有關,年齡愈大的中文孩童,他們的語意搜尋的能力就愈好。這樣發展的特性也伴隨著大腦功能的變化,隨著年齡的增加,在左腦半球的下額葉腦區神經活動會出現遞增的現象。

另一種尋找正確概念的動態處理方式,稱為語意整合(semantic integration)。以閱讀中文字為例,中文字的獨特性在於字的本身可能包含語意部件(semantic radical),代表單字與其部件在意義上有相關性。例如包含語意部件「金」、的字群,有「銅」與「鐵」等字,都與金屬類有關,所以可以由單字的部件推論出整字的意義訊息,處理部件與整字關係的能力,即為一種語意整合的歷程。研究發現這種語意整合的能力,與年齡的變化有關,年齡愈大的中文孩童在語意整合的表現就愈好。年齡愈大的孩童,愈能透過相關的語意部件,使用部件線索(如:蹦→足)輔助其判斷字群之間的語意相關性,從而更快地瞭解中文字的意義。這樣發展的特性也伴隨著大腦功能的變化,隨著年齡的增加,在左腦半球的下頂葉腦區神經活動出現遞增的現象。綜合上述研究成果,語言發展會受到文化(例如不同的書寫系統)的影響,隨著年齡的增加,語言概念的動態處理會呈現更有效率的語意搜尋及語意整合的發展趨勢。

圖三:人類語言發展的神經機制,反映於左腦半球的下額葉及下頂葉之神經活動變化

以上三位教授所呈現的研究成果,說明了各項腦造影可以用來量測神經系統之間的互動,同時也顯現了心智活動內容的特性,並且這些特性也和人類的行為有高度的相關,甚至突顯了文化的特色。有鑒於此,理學院「身體、心靈與文化整合影像研究中心」將秉持其設立的初衷,持續服務臺大及全國學者,協助研究人文社會科學領域之腦功能相關議題,藉由整合性跨領域的人文社會研究,期盼能夠對於學術社群提供重要的貢獻。

  • 圖一

    圖一:A. 實驗刺激含有三種成分,包括目標刺激以及共線、側翼兩種伴側刺激伴側刺激指向可能為與目標刺激平行(左)或正交(右)。B. 將凹凸不平的大腦透過算則”吹脹”後投影在平面上以利視覺化。C. 界定各刺激成分的反應區域及強弱。D。平行伴側刺激對大腦反應的影響。E. 正交伴側刺激對大腦反應的影響。

  • 圖二

    圖二:知覺(視覺)搜尋與記憶搜尋所涉及的大腦區域(紅黃色:前額葉與後頂葉神經網路;藍色:視覺皮質)(A);個體進行視覺搜尋時,前額葉與後頂葉皮質神經訊號與視覺皮質神經訊號,在知覺搜尋刺激出現後約200 ms即產生訊號相位共振(B、C、D);個體進行工作記憶搜尋時,前額葉與後頂葉皮質神經訊號與視覺皮質神經訊號,在記憶搜尋項目出現後約200 ms產生訊號相位共振(E、F、G)。進行視覺搜尋與工作記憶搜尋時,前額葉與後頂葉皮質神經訊號與視覺皮質神經訊號的共振均具有空間拓樸對應關係。

  • 圖三

    圖三:人類語言發展的神經機制,反映於左腦半球的下額葉及下頂葉之神經活動變化

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