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穿戴式腦磁測量頭盔問世!腦神經研究領域即將大革新?

活躍星系核_96
・2018/03/28 ・1785字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

  • 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。

目前腦磁研究仍受到須在磁屏蔽室內進行實驗的限制。圖/wikipedia

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。

現有的腦磁系統仍有諸多的侷限。圖/NIMH Image library@wikipedia

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。

source:Science Magazine

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。

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.
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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棒球場上的腦科學:直球?變化球?──WBC經典賽系列文(2)
貓心
・2017/03/07 ・3285字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

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?」

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圖/作者攝影

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。

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圖/作者攝影

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!」。

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圖/作者攝影

 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。

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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]。

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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.
貓心
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心理作家。台大心理系學士、國北教心理與諮商所碩士。 寫作主題為「安全感」,藉由依附理論的實際應用,讓缺乏安全感的人,了解安全感構成的要素,進而找到具有安全感的對象,並學習建立具有安全感的對話。 對於安全感,許多人有一個想法:「安全感是自己給自己的。」但在實際上,安全感其實是透過成長過程中,從照顧者對自己敏感而支持的回應,逐漸內化而來的。 因此我認為,獲得安全感的兩個關鍵在於:找到相對而言具有安全感的伴侶,並透過能夠創造安全感的說話方式與對方互動,建立起一段具有安全感的關係。 個人專欄粉專: https://www.facebook.com/psydetective/ 個人攝影粉專: https://www.facebook.com/psyphotographer/

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脫離昏迷後的意識探測
國科會 國際合作簡訊網
・2012/07/12 ・963字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

認知神經學@維基
認知神經科學@維基

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]

國科會 國際合作簡訊網
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猴子的禪定- 神經回饋的動物模型!
Scimage
・2011/10/23 ・492字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

在很久以前人就已經發現,經由監測某些本來自身不能感覺的生理訊號,能調節一些本來不能控制行為,像是神經緊張或是腸胃的蠕動等。這樣的方式叫做生理回饋(biofeedback),目前已經被用在臨床的治療上。

同樣的概念,如果可以監測自己的神經訊號然後接著控制神經訊號,這樣所達成的回饋就叫做神經回饋(neurofeedback),目前已開始用於治療像是過動症或是憂鬱症等問題。但是在神經回饋的治療,因為影響的因素很多,所以確定的療效還一直有爭議。

這影片介紹的研究是利用對猴子的制約來讓猴子學會神經回饋。利用電極監測猴子的腦電圖electroencephalogram(EEG)訊號,當腦波可以發出12-15Hz的訊號時 (這頻率的訊號稱為 sensorimotor rhythm [SMR, 12-15 Hz]與禪定時人發出的腦波頻率類似)就給猴子棉花糖吃。

經由這樣的回饋,實驗的猴子就學會了讓自己的腦波可以保持在類似禪定的狀態,這時候的猴子看起來又專注又安詳。 這個研究的價值是發展一個沒有人為干擾的動物實驗體系,一些像是安慰劑效應或是人為言語互動可能造成影響可以被排除。或許以後有更多關於神經回饋有用的資訊可以在動物的實驗上得到更好的回答!

學術文獻

轉載自 科學影像 scimage 

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