穿戴式腦磁測量頭盔問世！腦神經研究領域即將大革新？

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

棒球場上的打擊，是一件很困難的任務。我曾有一個體育老師用這麼一句話來形容棒球打者：「在世界上有哪一個職業，失敗率高達七成，卻可以領高薪呢？」當然啦，在中華職棒這個常常出現15:15這種網球般比數的奇妙聯盟，或許好的打擊者打擊率必須要來到3成5才行，但即使如此，一個好的中華職棒打者的失敗率依然高達6成5。

一個打者，要能夠把球打得好，除了打擊本身的技巧之外，選球也是另一個很重要的因素。而選球又可以分成兩個部分，一個是選擇你想攻擊的球路，例如教練常常會要打者「挑直球打」，另一個則是判斷球會不會進入好球帶。

而過去關於棒球打擊的研究，也剛好在「判斷球種」和「判斷好壞球」上有所著墨，本文就要先來介紹「當一個打者在判斷球種時，他的大腦會出現哪些變化呢？」

直球？變化球？

根據我所讀到的論文，實驗者通常會挑選「直球V.S.曲球」或是「直球V.S.曲球V.S.滑球」來做為刺激的材料，而滑球和曲球也是棒球場上最常見的兩種球路。

先來看看在分辨這三種球路的時候，打者所需耗費的時間吧。要分辨一顆球是什麼球路，很重要的一個因素，就是這顆球移動的速度，以及變化的角度。

很直覺的，要分辨一顆球是直球、曲球或滑球，最容易被分辨出來的應該是直球，Sherwin等人在2012年所發表的一篇論文就證實了這一點，他們策劃了一系列的腦電圖（Electroencephalography, EEG）研究，從六名受試者（五男一女，均沒有參與過職業棒球或大學棒球的訓練）腦神經的訊號可以發現，快速球比其他兩種球路更快被區分出來。

除此之外，由於這三種球路的軌跡及速度都有所差異，被辨識出來的時間點也有所不同，因此受試者在區辨這三種球路時的大腦反應模式可以說是截然不同[1]，不過更細節的部分，由於太過複雜，因此就不在本篇文章細談了，有興趣的人可以找出原論文來讀看看。

判斷球種與揮擊時的大腦變化

然而，當一個打者分辨出一種球路是直球、曲球或滑球之後，他們接下來會怎麼做呢？當然就是攻擊它啦！這一個研究團隊後續又做了另一份研究[2]，他們以三名美國大學棒球聯賽第一級（NCAA Division I）的大學棒球隊球員做為受試者，讓他們觀看468個模擬球路（快速球、曲球、控制組，其中控制組是電腦隨機模擬出來的球路，該球路不符合牛頓物理定律的球路軌跡），這個研究分成兩個部分，其中一個是腦電圖的研究，另一個則是功能性磁振造影（fMRI，functional magnetic resonance imaging）的研究。

腦電圖和功能性磁振照影最大的差別就是，腦電圖可以測量到每一毫秒的大腦電波變化，但是沒辦法精確地掌握這些腦電波的變化是來自於哪一個腦區；而功能性磁振照影雖然只能每兩秒鐘掃描一次，但是卻可以測量到很精細的大腦變化。因此，結合這兩種研究，便能夠精確地掌握到，打者在選擇攻擊的球種時，在不同時間上，大腦反應的區域有何不同。

其中腦電圖的研究結果發現，在棒球從投手的手中出手後500ms左右時，打者的大腦反應會來到高峰，這可能反應出打者出手的時機點（以投手板到本壘板的距離18.44公尺而言，該實驗的模擬球路中的速球球速為83mph，換算成我國常用的km/hr後，則是133kph左右，而一顆時速133公里的球，從投出到進入本壘板，所需時間大約是496ms，因此在出手後500ms前後所出現的大腦反應高峰，可能正代表著打者出手的時間點）。

而第二次的大腦反應高峰則是在球出手後900ms時，這可能代表著打者針對剛剛所做的判斷進行反思，因而產生了第二個大腦反應的極大期。

那麼，這兩個大腦反應的極大期，大腦到底在做些什麼呢？這個團隊又用了功能性磁振造影來對大腦在判斷球路時的腦區變化做了研究，研究結果顯示，無論受試者看到的是直球、曲球或是滑球，大腦中對應到的反應區域大多都分布在後半部，而這些區域和視覺處理與動作處理有關，其中包含了參與複雜影像視覺編碼的舌回（lingual gyrus）[3]、辨識物體的側枕葉皮質（lateral occipital cortex，LOC）[4]、解釋視覺圖像的布羅德曼分區（Brodmann）第18腦區[5]、負責注意力和多功能整合的布羅德曼分區第19腦區[6]，以及有助於覺察運動中物體的顳葉中區（middle temporal，MT，又稱視覺皮質第五區，V5）[7]。

而前面提到的第二個神經訊號大量反應的時期，也就是球出手後900ms的反應極大期，在fMRI的研究中則發現，這和上額葉(superior frontal)、副扣帶迴(paracingulate gyri)的反應有關，這些腦區會在受試者正確辨識出球路之後活化，它們負責的功能則是正向顯著事件(positive salient events)[8]和內省(introspection)[9]，白話一點來說就是「受試者很肯定地認為，剛剛所做的判斷應該是正確無誤的！」。

 判斷正確與錯誤，大腦反應也會有所不同

有趣的是，這份實驗也針對受試者判斷正確與判斷錯誤時的大腦變化進行比較，結果發現，當受試者判斷正確時，他們的大腦神經變化，會顯著地活化處理高階視覺反應的MT和側枕葉皮質(LOC) ，以及關於動作控制和處理的蒼白球(globus pallidus)和殼核(putamen) [7]，還有牽涉到自我獎勵的額葉極區(frontal pole regions)，且這些腦區的啟動，是不需要經過意識控制的！也就是說，他們的大腦會很自動地從辨認出球路切換到準備揮棒的模式裡，不需要經過大腦思考，這也是為什麼大聯盟傳奇名將Yogi Berra會說：「打者是不能一邊思考，一邊好好地打擊的（you can’t think and hit at the same time）。」。

反之，當受試者無法對該球種做出正確判斷時，他們便不會啟動預備揮棒的動作區，反而是啟動了位於前額葉的布羅德曼腦區第10腦區[1][2]。前額葉是關於思考與決策的腦區，而布羅德曼腦區第10腦區最主要的功能正是處理困難的認知作業（task difficulty）[10]。這可能是因為受試者有看到這些球，但資訊並未傳到更高階的視覺紀錄區或是正確編碼(如MT、LOC)，因此受試者感到很困惑，因而啟動了負責思考的大腦區域，試圖想出剛剛看到的到底是哪一種變化球。

這樣的研究結果，不免讓我聯想到我打棒球的經驗，其實打者在選擇球路作攻擊時，常常是一種很自然的身體反應，從投手抬腳投球的那一剎那，到擊中球為止，其實打者是沒有什麼時間仔細思考該如何揮棒、何時揮棒的，而是一種連貫「判斷—揮擊」的動作，這正好呼應了實驗研究的結果。

順帶一提，雖然實驗當中並沒有提到這一點，不過我認為，當一個打者被一顆球凍結住，站著不動遭到三振時，很有可能就是因為，他來不及對眼前的球路做出反應，因而未能啟動他下意識的動作區域吧。

我變！我變！我變變變！

在最後，關於變化球和打者反應之間的另一個有趣研究，則是針對「投手的球種越多，會對打者造成什麼樣的影響」為主題進行研究的，結果發現，當一個投手的球種越多時，打者得動用到越多的腦區聯合起來來分辨球路，而非增加某一特定腦區的活動量來分辨球種；除此之外，當投手球種到達三種時，和只有兩種時相比，打者能夠正確區分球種的機率就會掉到5成左右，且反應時間雖未達顯著差異，但會隨著球路越多，而有越來越慢的趨勢[11]。

因此，如果你想成為一個讓打者摸不著頭緒的投手，即便你無法和達比修一樣練成一手七彩變化球，但實驗告訴你，只要有兩種變化球，就足以讓打者有一半的機率猜不透你想投什麼球了！

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參考文獻

1. Sherwin, J.Muraskin, & P.Sajda（2012）You can’t think and hit at the same time: neural correlates of baseball pitch classification. Front Neurosci, 6: p. 177.
2. Muraskin, J.Sherwin,& P.Sajda（2013）A System for Measuring the Neural Correlates of Baseball Pitch Recognition and Its Potential Use in Scouting and Player Development. Sports Analytics Conference.
3. Machielsen, W.C., et al., FMRI of visual encoding: reproducibility of activation. Hum Brain Mapp, 2000. 9(3): p. 156-64. 17.
4. Grill-Spector, K., et al., The lateral occipital complex and its role in object recognition. Vision Res, 2001. 41(10-11): p. 1409-22. 19. Hyvarinen, J., et al., Early visual deprivation alters modality of neuronal responses in area 19 of monkey cortex. Neurosci Lett, 1981. 26(3): p. 239-43
5. Kaas, J.H., Theories of visual cortex organization in primates: Areas of the third level. Extrageniculostriate Mechanisms Underlying VisuallyGuided Orientation Behavior, 1996. 112: p. 213-221. 18.
6. Tootell, R.B.H., et al., Functional-Analysis of Human Mt and Related Visual Cortical Areas Using Magnetic-Resonance-Imaging. Journal of Neuroscience, 1995. 15(4): p. 3215-3230. 21.
7. Marchand, W.R., et al., Putamen coactivation during motor task execution. Neuroreport, 2008. 19(9): p. 957-60.
8. Euston, D.R., et al., The role of medial prefrontal cortex in memory and decision making. Neuron, 2012. 76(6): p. 1057-70.
9. Goldberg, I.I., et al., When the brain loses its self: Prefrontal inactivation during sensorimotor processing. Neuron, 2006. 50(2): p. 329-339.
10. Philiastides, M.G., et al., EEG-informed fMRI reveals spatiotemporal characteristics of perceptual decision making. Journal of Neuroscience, 2007. 27(48): p. 13082-13091.
11. Ryu, J.Kim, A.Ali, W.Kim & S.J. Radlo (2015) Changes in baseball batters’ brain activity with increased pitch choice. Journal of Integrative Neuroscience, Vol. 14, No. 3369–381.

當一個人自昏迷狀態中醒來時，可能會出現幾種不同的臨床現象。若此人變成植物人並保有反射動作，就可以自行呼吸、睜開眼睛，但是對周遭的環境沒有意識。相反的，若此人處在「最低程度意識」狀態，有時會出現短暫的意識徵兆，例如儘管他無法持續交談，但是可以對親人微笑，其預後狀況較為良好，可以進行特殊照料以協助其復原。不過，這兩種狀態通常很難區分，誤診機率為 40%。為了能夠區分之，一個國際團隊開發了一項結合穿顱腦部刺激與腦電圖的新技術。

這項技術與目前使用的「意識測試」方法非常不同。巴黎硝石醫院（hôpital de la Pitié-Salpêtrière）的神經學家 Lionel Naccache 表示，「實際上，大多數的測試都是要求病人用大腦進行需要意識的認知工作，例如想像在打網球。醫生觀察執行工作時的腦部訊號，就可以確認患者是否有意識。不過，我們很難解釋負面的結果，例如病人可能無法理解我們的措詞或者他正在睡覺等等。米蘭大學的 Marcello Massimini 與其同事共同設計的方式並不會受此限制」。

這個新方式不會刺激患者的溝通能力，其運作基準是根據腦丘與皮層之間的交互作用速度來判定是否有意識。這兩個部位都位於腦部深層。為了探測意識是否存在，研究員將磁線圈置於患者腦中，磁線圈會誘導電流刺激大腦，這種技術稱為「穿顱腦部刺激」。研究員同時以腦電圖來記錄患者的腦部活動。

狀態不同

為了證明該方式的有效性，研究團隊選了 12 名脫離昏迷狀態的患者，這些患者都可以透過徹底且重複的神經檢測來進行可靠的診斷。在這 12 名患者中，有 5 名已經被診斷為植物人、5 名處於最低程度意識狀態，其餘 2 名則屬於「閉鎖症候群」（locked-in syndrom），也就是說全身癱瘓，但是對周遭有意識。

一旦這些患者獲得診斷，神經學家就以新方式進行測試，並證實的確可以區分這些患者。與處於麻醉狀態者（也就是無意識狀態時）相較之下，刺激植物人會引起特定區域的腦部活動。相反的，刺激處於最低程度意識狀態者，會引發腦丘系統在有意識的狀態下才會出現的複雜活動。同樣的活動狀態也出現在 2 名閉鎖症候群的患者身上。

作者：駐法國代表處科技組
資料來源：Mieux détecter la conscience après un coma—法國《研究》雜誌（La Recherche）2012 年 3 月第 462 號期刊

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-07-02]