穿戴式腦磁測量頭盔問世！腦神經研究領域即將大革新？

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

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]

• 文／林發暄　國立台灣大學醫學工程學研究所教授

腦磁圖（magnetoencephalography, MEG）是一種以非侵入方式量測腦部神經電信號的一種神經造影工具。他與常見的腦電圖（electroencephalography, EEG）相同，信號的主要來源以一群神經細胞（主要以位於皮質的錐狀細胞為主）在時間與空間上進行同步活動為主。與腦電圖不同的地方在於， 腦磁圖量測的是非常微弱的磁場信號（約比地球磁場小上千萬倍），因此技術上相當困難。

最早的腦磁圖實驗於 1970 年左右由 David Cohen 在屏蔽良好的磁屏蔽屋內首次完成（Cohen 1968, Cohen 1972）。幾十年來在磁屏蔽屋以及磁場感測器的技術發展下，由於具有毫秒等級的時間解析度，以及比腦電圖優良的空間敏感度選擇性和解析度，腦磁圖已經成功且廣泛地應用在臨床癲癇診斷以及神經科學研究上。

舊型超導量子干涉元件龐大的腦磁測量頭盔

為達到足夠的敏感度來偵測微弱的腦磁信號，現有的腦磁系統多以使用超導量子干涉元件（superconductive quantum interference device, SQUID）。使用 SQUID 的限制在於：元件必須要在超低溫的環境下進行。

而整個系統因為冷卻需要，必須安裝在固定的頭盔上，且 SQUID 元件因冷卻系統的要求無法緊密貼合頭部。由於神經活動的磁場信號會隨距離而快速的消退，無法緊密貼合頭部的腦磁偵測器必然要損失一些敏感度。同樣的，目前的腦磁系統在量測腦磁信號上無法因不同人的頭型（例如：小孩實驗需使用大人的頭盔）而達到好的結果。

使用OPM 邊打乒乓邊測量腦磁

最近由英國諾丁漢（Nottingham）大學與倫敦大學學院（University College London）的團隊針對這項限制做出了突破性的研究（Boto, Holmes et al. 2018）。他們揚棄以往 SQUID 元件，改用光泵浦磁場計（optically pumped magnetometer, OPM）作為量測神經磁場信號的元件。OPM 藉由量測被微弱磁場調變的光信號達到量測磁場的目的。

由於 OPM 不需要在超低溫的環境下便有高敏感度，因此可以將偵測器安裝於輕便的頭盔上，而不像以往 SQUID 系統需要考量冷卻系統，而達成「可穿戴」的特性。進一步因為 OPM 可以盡可能地靠近頭皮，距離產生神經磁場的信號來源更為接近，因此在量測腦磁信號上也可提升其敏感度。

在這項論文中，英國學者成功地展示了在進行手部運動時，運動皮質區所特有的 beta 頻段（約20赫茲）的神經震盪反彈（rebound）活動。此種神經活動特性在新的腦磁系統中，不論受試者在靜止，甚至在不斷點頭的活動下，都可以穩定的測得。

研究團隊甚至展示出當受試者在手執乒乓球拍擊球時所產生的 beta 頻段的神經震盪反彈活動。可以想像在這樣的運動中，受試者的頭部與手都有不可預期的快速移動。這在傳統使用 SQUID 的腦磁系統上是無法量測的。

這套系統的特性除了以 OPM 取代 SQUID 之外，他們也自行發展出一套磁場補償系統，使磁場的分佈更均勻。事實上，也正因為這套補償系統，才能使 OPM 首次成功展現腦磁量測的功能。

目前報告中的腦磁系統雖然只包含體感覺皮質部分，但可預期的是，它將近一部延伸為涵蓋全腦的系統。這種架構對於進行小孩神經發展的研究與臨床應用將有巨大的好處：這些受試者不需再受限於系統使用大小不合的頭盔進行量測。

而在受試者自由地進行活動下，依然有高品質的腦磁信號量測的特性，對於想了解腦部活動在自然的環境下是如何工作的研究與臨床人員來說，也具有相當大的吸引力。

• source：Science Magazine

台灣本身的腦磁臨床應用與科學研究已有十數年。台北榮總的癲癇團隊與整合腦功能實驗室以及中研院的語言研究在腦磁研究上都有很好的成果。目前腦磁研究仍受到須在磁屏蔽室內進行實驗的限制。所以即使在最新的研究中，乒乓球的遊戲也不是日常常見兩人對打的狀況（因為一般的磁屏蔽室太小間了！）。是不是能有近一步突破，將腦磁量測走出室外，達到真正在自然的狀態下以穿戴式系統來研究腦功能，應該是許多神經科學家的夢想。

參考資料

• Boto, E., N. Holmes, J. Leggett, G. Roberts, V. Shah, S. S. Meyer, L. D. Munoz, K. J. Mullinger, T. M. Tierney, S. Bestmann, G. R. Barnes, R. Bowtell and M. J. Brookes （2018）. “Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system.” Nature.
• Cohen, D. （1968）. “Magnetoencephalography: evidence of magnetic fields produced by alpha-rhythm currents.” Science 161（3843）: 784-786.
• Cohen, D. （1972）. “Magnetoencephalography: detection of the brain’s electrical activity with a superconducting magnetometer.” Science 175（4022）: 664-666.