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果蠅形成長期記憶的新發現

Yen-Ju Chen
・2012/02/16 ・851字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

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2012年2月10日出刊的Science雜誌刊登了國立清華大學生命科學系教授江安世領導的團隊在果蠅長期記憶形成的研究[1],是台灣第一次登上Science的完整論文。其實江教授的團隊也是台灣第一個在Cell發表論文的團隊[2],其主持的清大腦科研究中心,利用分子生物及光學技術,能將果蠅腦中的神經一條一條描繪出來,在與國家高速網路與計算中心的合作之下,建立了果蠅腦神經的3D地圖,讓科學家可以如同 Google Earth 般地在電腦上直接觀察果蠅腦中的每一條神經的位置及形態。

這次江教授的團隊,打破了傳統上認為嗅覺長期記憶的形成是發生在蕈狀體(Mushroom Bodies)中,發現其實在DAL這個部位的兩條神經已可控制長期記憶的形成。由於這個研究結果實在是太驚人,所以全篇論文需要用非常多的證據來支持其結論。

長期記憶的形成往往需要某些神經細胞結構上的改變,或是神經細胞內部有特定蛋白質的合成。江教授的團隊利用分子生物學的技術,可以觀察到特定神經細胞內蛋白質的合成,並可利用溫度來控制某一條神經內蛋白質的合成與否,再加上既有的螢光顥微鏡的技術,可以追蹤特定神經細胞的位置。在給予果蠅嗅覺刺激時,觀察那些神經在長期記憶的過程中,有特定蛋白質的合成。再進一步分析這些蛋白質與長期記憶是否有直接相關。經過大量的篩選之後,確定是DAL這個部位的兩個神經細胞中, CaMKII 與 per 這兩個蛋白質直接影響長期記憶的形成,而不是傳統上認定的蕈狀體部位。通過果蠅腦神經地圖,亦觀察到DAL的神經與蕈狀體有相連結。因此整個長期記憶的形成,從學習(register)、儲存(consolidation)到能讀取過去記憶(retrieval),是需要蕈狀體及DAL這個迴路來達成的。

這個研究成果不單是在其結論上有重要的發現,在實驗技術上亦花了相當的工夫去建立數個關鍵技術。有這些技術的成功發展,才能成就這項研究成果。江教授的團隊掌握了這些關鍵技術,在可預期的將來,一定可以在腦神經科學上有更多更驚人的發現。

[1] Chun-Chao Chen, Jie-Kai Wu, Hsuan-Wen Lin, Tsung-Pin Pai, Tsai-Feng Fu, Chia-Lin Wu, Tim Tully, Chiang AS* (2012) Visualizing long-term memory formation in two neurons of the Drosophila brain. Science. 335. 678-85.

[2] Lin HH, Jason Lai SY, Chin AL, Chen YC, Chiang AS (2007) A Map of Olfactory Representation in the DrosophilaMushroom Body. Cell 128,1205-17.

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Yen-Ju Chen
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人類潛能大解密:關於「記得順序」這件事
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/11/27 ・2899字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 文/羅明|雅文基金會聽語科學研究中心研究員

「默記電話號碼」經常在介紹記憶的科普文章中出現,做為生活中一般人能夠馬上記下一段訊息的例子,而能夠記得「多少個」號碼也往往是討論的焦點。

然而,在記下數字的時候,其實還要記得數字之間的「順序」,才算是成功的記下這組號碼。記錯電話號碼而撥話給陌生人,還算小事,一句抱歉就能化解一場尷尬。如果是發票的中獎號碼記錯了,那可是失之毫釐、差之千里,結果或許是空歡喜一場,要是與大獎擦身而過,那可真是捶胸頓足也揮之不去的懊惱啊。

對獎的號碼需要數字和順序都符合才算中獎。圖 /SAPLING

無形中記得「順序」的先天能力:統計式學習

研究人類發展的科學家發現,人從訊息中掌握「順序」的能力,可能是天生的。最有名的例子,莫過於 Saffran、Aslin 及 Newport [1] 以八個月大的嬰兒為對象所進行一個研究。

Saffran 等人製作了四個具有三個英語音節(syllable)的無意義詞(例如:bidaku),並以隨機的順序將這四個詞串接成一段兩分鐘不中斷的語音刺激。這個兩分鐘的音檔中,音節與音節之間在順序上有一定的規律。舉例來說,音節 bi 之後一定是 da,而 da 之後也一定是 ku,但是 ku 之後的音節則不一定,音節 pa 或 go 都可能。

八個月大的嬰兒聽完 Saffran 等人製作的語音刺激之後,對於音節順序是否符合規律(如:bida vs kupa),會有不同的反應,顯示小嬰兒「認得」符合規律的音節組合。這個研究結果不只顯示了人類在毫無所悉的情況下能夠自動發現訊息中的規律性,而且在自己與環境互動之前,已經具備了掌握規律的能力。

統計式學習很可能是先天的能力。圖/Scientific American

人類語言的語法其實就在描述語言的規律性。不論是哪一個語言,詞彙與詞彙之間,總是遵循著某一種規律,然後串接成句。當然,語法的規律性有其嚴謹性,而其程度與面向又隨語言的種類而異。但不論是哪一個語言,如果只是把選好的詞彙隨機的排列成串,恐怕語文造詣再高也很難參透這「句」話的意思。

Saffran 等人[1] [2] [3]所發現的認知能力,學界稱之為統計式學習(statistical learning),它所指的是當某一類訊息出現的機會有一定的規律時,人會從接受到的訊息裡掌握這種規律,並據以發展出有關該類訊息的知識。

就語言學習而言,語言是一種人會從環境中接受的訊息,而這個訊息的背後也有某一種機率的分配。以口說語言為例,每一個語言有其使用的語音,多個語音結合後組成詞,再由多個詞構成語句,但只有某些排列組合才符合規律,使得一個語言從語音到語句由下而上形成一個有規則的系統。

比如以語句的詞序(word order)為例,英語中最典型常見的型態是名詞—動詞—名詞的順序,而這種規律用以表達主詞(第一個名詞)透過動作(動詞)影響著受詞(第二個名詞)的意義,而其他種詞序母語者聽起來可能會感到不那麼直覺。

Saffran 等人認為,語言習得是統計式學習發揮作用的過程,人透過該過程整理語言刺激,並累積出關於語言的知識,進而展現出聽與說的行為。換句話說,語言習得所涉及的是一種通用的學習能力,且普遍存在每一個人的身上,因此我們可以觀察到,來自於不同語言、社會及文化的人,在一般的情況下都能夠發展出語言能力。

感覺剝奪會不會影響統計式學習的能力?

當感官系統在個體發展的早期出現缺損時,直接的影響是個體從外在環境接收的刺激與累積的經驗在質量上與同儕相比較為匱乏,亦即感覺剝奪(sensory deprivation)。一般而言,刺激與經驗是個體發展認知功能的基石,感覺剝奪在認知發展中可能帶來的負面影響,讓研究者開始思考影響的層面:是僅限於特定領域?還是擴及一般領域?

先天聽力損失的影響,是這個議題最直接的例子之一:聽力問題會不會影響孩子基本的認知能力?有研究者提出 Auditory Scaffolding Hypothesis(本文直譯為「聽覺鷹架假說」),其主張:聽覺訊息有一重要特質是訊息片段之間有其序列性,如果個體發展的早期缺乏聽覺上的刺激,其認知系統中負責掌握訊息序列性的功能在發展上將有所延遲[4] [5]

依照聽覺鷹架假說的想法,無論是聽覺或視覺的形式,在面對訊息且需要追蹤其序列性的情況下,聽力先天缺損的孩童其表現將落後聽力正常的同儕。有一些新近研究的結果,似乎符合這樣的想法。

有的研究者採用一種聽打節拍的作業,過程中讓孩子先聽一小段節奏,然後用敲食指的方式,盡可能重複剛剛所聽到的節拍;結果發現,相較於同儕,聽損孩子打出的節拍比較容易和題目有所出入[6]。有的研究者則以色塊序列出題,再由孩子依照剛剛看到的順序點按色塊[7],或另外在體感動作的層面上,觀察孩子複製肢體動作的表現[8],結果都看到了聽損孩子與同儕有所差異。

然而,研究資料並非一面倒的支持聽覺鷹架假說。就在本文撰寫之際,知名期刊《認知》(Cognition)刊登了一篇主題為「先天聽損是否影響統計式學習」的研究。

研究者採用三種動物(貓、狗及鳥)的聲音,然後讓三種聲音前後出現的順序有一定的規律性。按照統計式學習的想法,這些聲音在孩子聽了一段時間之後,其中的規律性會在孩子的身上留下印象。實驗結果也確實如此,先天聽損的孩子與年齡匹配的同儕,都在行為的反應上顯示出兩組孩子都學到了三種動物聲音前後順序的規律性[9]。另一方面,兩組孩子也有表現不同的地方。雖然兩組孩子皆能學會動物聲音和地點的配對關係,但是聽損組的反應慢於同儕組。

或許我們可以這樣猜測,聽損孩子也如同儕一般,訊息的處理引擎仍然可以消化序列性資訊,只是在處理的效率上,聽損孩子可能來的低一些。這也許能夠解釋,為何有聽損的孩子在面對訊息且需要追蹤其序列性的表現會有所落後。

感覺剝奪帶給認知發展的潛在阻礙仍有許多未知之處。圖/PNGKIT

能夠「記得順序」看起來稀鬆平常,其實並不如想像中的簡單,而且它的影響不容小覷。它所反映的認知能力,關係到個人與環境互動的經驗能否進一步轉化為知識。對於身心發展早期就遭遇感覺剝奪的個體來說,感覺剝奪帶給認知發展的潛在阻礙仍有許多未知之處,而這些阻礙可能會在哪些層面,以及衍生的風險與副作用,有待更多的研究加以釐清。

參考資料

  1. Saffran, J. R., Aslin, R. N., & Newport, E. L. (1996). Statistical learning by 8-month old infants. Science, 274, 1926–1928.
  2. Saffran, J. R., Johnson, E. K., Aslin, R. N., & Newport, E. L. (1999). Statistical learning of tone sequences by human infants and adults. Cognition, 70, 27-52.
  3. Saffran, J., Hauser, M., Seibel, R., Kapfhamer, J., Tsao, F., & Cushman, F. (2008). Grammatical pattern learning by human infants and cotton-top tamarin monkeys. Cognition, 107, 489-500.
  4. Conway, C. M., Kronenberger, W. G., & Pisoni, D. B. (2020). Letter to the editor: Do Pediatric Cochlear Implant recipients display domain-general sequencing difficulties? A comment on Davidson et al. (2019). Ear & Hearing, 41(4), 1051–1054.
  5. Conway, C. M., Pisoni, D. B., Anaya, E. M., Karpicke, J., & Henning, S. C. (2011). Implicit sequence learning in deaf children with cochlear implants. Developmental Science, 14(1), 69–82.
  6. Hidalgo, C., Zécri, A., Pesnot-Lerousseau, J., Truy, E., Roman, S., Falk, S., Dalla Bella, S., & Schön, D. (2021). Rhythmic Abilities of Children With Hearing Loss. Ear and Hearing, 42(2), 364–372.
  7. Gremp, M. A., Deocampo, J. A., Walk, A. M., & Conway, C. M. (2019). Visual sequential processing and language ability in children who are deaf or hard of hearing. Journal of Child Language, 46(4), 785–799.
  8. Bharadwaj, S. V., Matzke, P. L., & Daniel, L. L. (2012). Multisensory processing in children with cochlear implants. International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology, 76(6), 890–895.
  9. Pesnot Lerousseau, J., Hidalgo, C., Roman, S., & Schön, D. (2022). Does auditory deprivation impairs statistical learning in the auditory modality? Cognition, 222, 105009.
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。

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大科學人專訪|許奶爸:站在孩子的角度找到適合的學習方法
LIS_96
・2022/11/18 ・2002字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在桌遊界走跳的朋友一定都聽過致力於親子桌遊推廣的「許奶爸」。他曾是一位照三餐罵小孩的爸爸,沒想到在他現在的教養觀念中「成績不再是罵小孩的理由」。幾年前,許奶爸因為孩子接觸了桌遊,無意間開啟了自身興趣,為此他也改變照三餐責罵孩子的教養觀念,開啟他將親職教養技巧融合陪伴孩子玩桌遊的動機。

關於許奶爸引導孩子學習動機的方法以及教育觀點,邀請你一起往下閱讀 >>>

找到適合自己的學習方法是關鍵

許奶爸回憶過往的求學歷程,為了拼數學考試拼到凌晨,「像之前數學怎麼考,我上課認真聽,晚上拼到凌晨,數學、物理、化學的成績怎麼樣都好不起來,從來沒有及格過,每一科都是不及格(笑)」。

許奶爸補充自己成績不理想並不是學校老師教得不好,「我覺得是方法,不管以前學習的狀況是怎麼樣,重點是要找到適合你的方法,有好方法學習才會事半功倍。」許奶爸提到過去沒有這麼多的學習資源和教材,以前大人教我們怎麼做就怎麼做,一樣都是參考書、課本、聽講,但這些內容大部分看了只會想睡覺,提不起勁。

不論是學校體制教育還是一般自學家庭,許奶爸相信:當你能找到適合自己的有效方法,便會提起學習動機和內在動機。「方法好了自然會有成績的效益出來,聽進去知道在講什麼,就會內化到自己的身上,也許會透過自己考試的成績展現,提升自己的自信心。」

創造好的學習環境引導孩子找到學習動機,家長是孩子的學習引導者

家長是孩子學習道路上的引導人,找到「適合小孩的方式」是關鍵。圖/Pexels

家庭教育很重要,許奶爸是孩子們學習道路上的啟蒙老師,如果家長認為英文能力很重要,那就從小為孩子創造英文的學習環境,讓孩子從小自然喜歡英文,從小在生活中學習英文。

「我們每一天在車上,每一天眼睛張開醒著就放英文 CD,兒子兩歲我們會念一些英文繪本,一起親子共讀,英文是這樣從小培養的。」

許奶爸提到引導小朋友的方式有兩種,一是要趁孩子還不了解時就讓他去接觸,並且要能站在孩子的角度,用他覺得有趣的方式接觸。第二種方式是給予孩子多方嘗試的機會,在過程中與孩子溝通核對,讓孩子願意嘗試、自己做決定是很重要的!

「看 LIS 的教材也是一樣的概念,我們先找到 LIS 的影片讓孩子看,之後問他覺得怎麼樣,很有趣就繼續看,自由選擇你要看有什麼內容,有問題就找其他方法來補強。」家長很重要,家長是引導人,家長去找到「適合小孩的方式」,而不是大人自以為的方法,這是許奶爸想提醒大家的關鍵。

拿掉考試,科學的重要性和意義是什麼

「我個人不注重成績,才會在小孩六年級之前沒有補習。但我不得不說,學校的考試成績會反映出孩子現在學習的狀態怎麼樣。」許奶爸提到家長應當關注孩子的學習狀態,我們要去注意到的不是成績,成績是反映學習的程度,家長要做的是協助他找到他的問題點,不是去追究他怎麼會考得那麼差,而是挖掘背後的原因。

許奶爸在協助孩子找到問題點後,會再找到另一個方法來解決這個問題,「我個人尊重考試制度,很多家長把考試成績看的很重,但忘記成績對孩子的意義是什麼」。

好奇心是開啟科學領域大門的金鑰

好奇心是開啟科學大門的金鑰。圖/GIPHY

日常中,許奶爸會透過「刻意的動作」培養孩子們的好奇心,「像我們騎摩托車過去,我就問孩子說:你知道我剛剛為什麼做這個動作嗎?你再想想看剛剛我們發生什麼事情,騎車開車都會偶爾問上幾句,從生活中問他一些事情,跟他一起對話。」最後,許奶爸也提到讓孩子「多方嘗試」是很重要的,「有嘗試總比沒有嘗試的好,試試看才能知道好不好,好當然很好,不好當成學習的經驗,累積豐富生命的土壤。」

響應本次「LIS 第二季大科學計劃」, 許奶爸分享給我們的大科學人宣言:
❛❛ 好奇心,是開啟科學領域大門的金鑰 ❜❜ ——許奶爸

這也體現了 LIS 的願景和使命感,讓孩子能像科學家一樣思考,讓孩子擁有實踐夢想的勇氣和能力。

現在,邀請您一同成為各行各業中的大科學人,您的捐款將支持「科學公益教材」的穩定開發,一起支持台灣科學教育,讓孩子從小開始像「科學家一樣思考」,帶著自信長大成為各行各業中「永保好奇」、「邏輯思辨」的大科學人!

【LIS 大科學計畫 ✦ 第二季】|

❛ 教育不只是老師的事,這是我們的任務,下一個世代的科學史,現在就得開始寫起! ❜
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LIS_96
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LIS ( Learning in Science )情境科學教材,成立於2013年7月,是一個非營利組織,致力於為國中小自然教師及學生,設計有別於填鴨教育的科學教材,協助教師進行STEAM和科學素養導向的教學,讓教師更簡單地進行教學創新,幫助更多孩子找回對科學的學習動機,並培養解決問題的能力。 在 Youtube 頻道【LIS情境科學教材】上,我們會即時更新所有LIS教材的影片,而完整的教案、學習單,亦同步上傳於【LIS教材平台網】歡迎您前往瀏覽完整內容。

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真的能「感同身受」嗎?我感受到了你的感受——《我是誰》
啟示
・2022/11/11 ・2543字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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感同身受真的存在嗎?

有些人在看到卡爾.梅(Karl May)的小說拍成的電影裡溫尼圖(Winnetou)死去的那一刻掉下淚來;有些人為電影《油炸綠番茄》裡蘿絲(Roth)的死而哭;還有一些人在看到小說《哈利波特》裡鄧不利多(Dumbledore)教授被殺時流淚。

我們在看悲傷的電影或書的時候會哭,是因為我們設身處地去想像故事裡那些英雄們的感覺,彷彿他們的痛苦就是我們自己切身的痛苦一般;我們跟著笑,我們也為影片中的怪物和心理變態情節感到害怕,就好像他們威脅到了我們一樣。

我們在電影或書的時候會跟著劇情有情緒起伏,是因為我們設身處地去想像故事裡那些英雄們的感覺。圖/pixabay

這些是每個人都有過的經驗,但它們是如何產生的呢?為什麼我們能夠了解他人的感覺?為什麼我們會在電影院裡起雞皮疙瘩,雖然在那裡一點也不危險?為什麼他人的感覺會感染到我身上呢?

答案很簡單:我們能夠感同身受,是因為他人(在現實世界或電影裡)的感覺喚起了我們心中相同的感覺;而這很可能不僅存在於人類。

根據德瓦爾在麥迪森研究中心的觀察,母獼猴法恩的姊姊顯然也感覺到法恩的痛苦和恐懼。然而,即使能與他人「感同身受」或「心有戚戚焉」是如此理所當然,對科學界來說,直到近幾年,這仍是個完全無解的謎。令人驚訝的是,第一位提出具有科學說服力的學者,在其所屬的專業領域之外仍然鮮為人知。

腦部研究的佼佼者:賈科莫.里佐拉蒂

賈科莫.里佐拉蒂(Giacomo Rizzolatti)經常被人們和愛因斯坦相提並論:蓬亂的白髮、嘴上同樣蓄著的白鬍子,以及臉上狡黠的微笑。不過他們的相似處不僅止於外表。

賈科莫.里佐拉蒂。圖/Wikipedia

對許多腦部學者來說,這位活潑開朗的義大利人是學界裡的佼佼者;他將腦部研究推向一個新的層次。不過,他的研究領域並不是最熱門的。里佐拉蒂探究控制行為的神經細胞,即所謂的行為神經元,已經超過 20 年了。

這個比較無趣的領域,因為啟動行為的「運動皮質」始終被視為比較遲鈍的腦區。大部分的學者都想:如果我們能夠研究像語言、智力或感覺等複雜的領域,又何必對簡單的肢體動作感興趣呢?

看來似乎是如此。不過,情況在 1992 年有所轉變,而且這個轉變令大家都跌破眼鏡。里佐拉蒂工作的所在地帕瑪(Parma)是歐洲最古老的大學,位於城市邊緣的醫學院卻是個非常前衛的雪白色建築樓群。

1990 年代初期,里佐拉蒂身邊的腦部學者從事一項很不尋常的研究。他們知道,特定的行為具有「傳染」的效果,發笑、打哈欠、甚至談話者的身體姿勢,都能立刻引起對方的模仿。在某些猿猴也出現相同的現象,某些種類甚至以喜歡模仿聞名。

不過研究人員偏偏決定以一種一般來說不會模仿同伴的豬尾獼猴作為研究對象。里佐拉蒂和幾位較年輕的同事伽列賽(Gallese)、佛格西(Fogassi)和迪派勒吉諾(di Pellegrino),將電極接到一隻豬尾獼猴的腦部,然後把一粒核桃放在地上,並觀察當猴子快速伸手抓取核桃時某個行為神經元如何反應。

研究者將電極接到一隻豬尾獼猴的腦部,然後把一粒核桃放在地上,並觀察當猴子快速伸手抓取核桃時某個行為神經元如何反應。圖/Wikipedia

鏡像神經元的發現

至此一切都算正常,不過,這時驚人的情況發生了:研究人員把同一隻猴子放到一片玻璃後方,這次牠抓不到核桃了,只能眼睜睜看著里佐拉蒂的助手伸手抓取核桃。這時猴子的腦部發生了什麼現象呢? 當牠注視別人拿牠的核桃時,相同的神經元產生反應,就像牠之前自己伸手去抓核桃一樣,雖然牠的手並沒有移動,牠的精神卻想像了這個動作。

科學家們無法相信自己所看到的:無論猴子是親手完成某個動作,亦或只是精神想像了訓練師所做的動作,其神經細胞都做了完全一樣的工作。

在此之前,從未有人觀察腦部如何模擬現實裡沒有發生的動作,而李奧那多.佛格西(Leonardo Fogassi)則是第一人。不過成功應該是屬於整個團隊的。里佐拉蒂發明一個新的概念,他把這個在被動想像時卻如真實行為般於腦部引發相同反應的神經細胞稱為「鏡像神經元」,一個新的神奇術語就此誕生了。

「親身經歷」和「感同身受」的差別

首先是義大利,接著是全世界大學和研究中心的腦部學者,都立刻投入鏡像神經元的研究行列。如果人的腦部對於我們的「親身經歷」和只是「認真觀察並感同身受」的反應沒有差別的話,那麼這不正是了解我們社會行為的關鍵嗎?

至少鏡像神經元是其中一個重要部分。它位於額葉的前額葉皮質,一個稱為「腦島」的區域。然而這個腦島卻不同於「社會中心」,也就是到目前為止所說的「腹側區」。

大腦額葉和頂葉的位置,從左側看。額下葉是藍色區域的下部,頂葉上葉是黃色區域的上部。圖/Wikipedia

其中的差別也很清楚,因為鏡像神經元雖然和無意識的「移情作用」有關,卻和更大範圍的計畫、決定或意願無關。到目前為止,我們還不很清楚這些腦區如何交互作用。

里佐拉蒂於 6 年前以圖像程序說明,人類的鏡像神經元顯然也位於負責語言的兩個腦區之一(布羅卡區)附近,這使得學界特別振奮。

荷蘭格羅寧根(Groningen)大學的腦部學者不久前在「聽到聲響」和「鏡像神經元發出信號」之間發現了有趣的關聯。當人聽到開飲料罐氣泡冒出的聲音時,腦中的反應就跟他自己開飲料罐完全一樣;也就是說,單憑聲音就足以讓人經歷到整個情況。

——本文摘自《我是誰:對自我意識與「生而為人」的哲學思考》,2022 年 10 月,啟示出版,未經同意請勿轉載。