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噪音能讓大腦的效能更好?一片平靜不如來些雜訊 ──《偶然的科學》

惱人的噪音大有用處

製造震動

我們傾向把隨機的噪聲訊號當成不好的東西,但在許多系統中,無論是生物和技術,噪音其實都是個機會。勞拉.斯皮尼 (Laura Spinney) 認為,如果沒有噪音,你的大腦效能可能不及現在的一半。

噪音通常是一種討人厭的東西,任何曾在飛機航線下方生活過的人,或曾經嘗試聽遙遠調幅廣播電台的人,都知道這一點。但是對工程師而言,噪音的隨機波動可謂天賜。

噪音通常是一種討人厭的東西,任何曾在飛機航線下方生活過的人都能深刻理解。圖/pixabay

二次大戰期間,空勤人員必須計算飛機的任務路線和炸彈軌跡,結果發現他們用來測量的儀器在空中的表現,竟然比在地面上好。空軍工程師很快找出原因;原來當飛機在空中移動時,機身會在很寬的頻率範圍內振動,偶然間有些頻率與移動中儀器零件共鳴頻率一致,讓零件震動,因而能更順暢地移動。然而,工程師不知道哪些頻率很重要,所以開始在儀器中放入小的震動馬達,希望能藉此引發共鳴。這是高頻脈動最早的應用,或是說,是人們蓄意添加隨機噪音的例子。

如今我們發現,演化比我們更早就懂得利用這個道理,生物早就在利用隨機訊號的好處。在某些情況下,加入微小噪音可以強化生物體對於環境的感知。例如比起在靜止的水裡,小龍蝦在湍流中更能偵測到細微的魚鰭活動。事實證明,在添加了一小段雜訊後,人類更能分辨螢幕上的模糊影像。

外部噪音增強大腦能力

在這些案例中,噪音源是在生物體外部,但卻引起一個有趣的問題:演化是否會將這種震動融入大腦之中?現在,有一群神經科學家宣稱,他們已發現神經迴路有「刻意製造噪音的設計」。如果這群人的說法正確,那麼震動可能是自然裡的共同特徵。噪音的操作定義是:一個頻率混亂的寬頻訊號。比方說,白噪音的嘶嘶聲,是由人耳可聽見的完整頻率,從最低到最高以相同量組成的。相較之下,有意義的非噪音訊號,則是把它們的能量都集中在相對較窄的頻譜上。

噪音能提高微弱訊號被偵測的可能性,這種現象稱為隨機共振(「隨機」單純表示隨機的模式)。隨機共振專門用於非線性系統,其中的輸出與輸入不成比例。神經元是非線性系統的一個好例子,只有當細胞膜上的電位達到臨界閥值時才會啟動;在這樣的系統中,不能達到閥值的微弱輸入,可藉由注入噪音而讓它升高到超過閥值的水準。

神經迴路有「刻意製造噪音的設計」。圖/pixibay

許多理論模型表示,隨機共振可改善神經元處理訊號的方式。此外,已有良好的實驗證據表示,在某些情況下,增加外部噪音可以增強大腦的能力。隨機共振解釋了,為什麼湍流的水,有助於小龍蝦的感覺毛細胞偵測遠距離的魚鰭活動,以及為什麼噪音有助於人的肉眼看出模糊的圖像。外部噪音已被用來增強人類的表現,例如用人工耳蝸植入器,幫助人們聽見微弱的聲音,以及使用震動鞋墊減少中風患者的身體晃動。

大腦會自己產生噪音?果蠅的嗅覺系統研究

然而在很長一段時間裡,沒有任何證據顯示大腦會自己產生內部噪聲,以利用隨機共振的好處。然後,牛津大學的神經科學家格羅.米森伯克 (Gero Miesenböck) 出現了。米森伯克認為,果蠅有一個大腦迴路是嗅覺系統的一部分,專門用於產生噪音以增強大腦功能。他的發現對人類大腦很有意義,因為果蠅嗅覺系統的基本結構,不僅在所有昆蟲都很常見,在脊椎動物來說也是如此,包括人類在內。

為此,米森伯克並沒有馬上去找噪音,而是想解決一個已困擾嗅覺系統研究人員多年的謎團。

科學家利用果蠅研究大腦製造噪音之謎。圖/pixibay

果蠅的嗅覺系統是個巨大的神經迴路,從果蠅的觸角開始,大約有一千兩百個嗅覺受體神經元 (ORN) ,每個嗅覺受體神經元都攜帶單一種類的氣味受體分子;這裡大約有六十種不同的受體分子,因此約有六十種不同類型的受體神經元。

從觸角開始,特定氣味的受體神經元聚集在一個被稱為嗅神經球的節點上,與被稱為投射神經元的細胞進行突觸連接。每個嗅神經球只從唯一一種受體神經接收輸入訊號,所以過去很長的一段時間內,神經科學家假設每個投射神經元只會對單一氣味起反應。

但是,幾年前神經科學家發現情況並非如此,來自各個投射神經元的電子紀錄表示,它們有時也會回應並非由其受體神經元所取得的氣味。

然而,它們是怎麼做到這一點的?畢竟,每個嗅神經球都只從一種類型的受體神經元接收訊號。幾年前,米森伯克和他同事尚玉華 (Yuhua Shang) 在耶魯大學醫學院,致力於設法解決這個難題。

噪音讓神經更敏銳

他們使用一隻突變的蒼蠅,這隻蒼蠅所有連接到特定嗅神經球的受體神經元都不在了。於是,他們尋找其他可以連結到這隻蒼蠅之投射神經元的方式,結果發現一個之前沒人知道的「中間神經元」網絡,這網絡能將嗅神經球彼此連接,並在嗅神經球之間傳遞訊息。每當氣味出現時,這些「興奮性局部神經元」就會為投射神經元提供某種擴散而刺激性的輸入。

這個現象解決了人們眼前的問題,卻產生另一個問題:為什麼在系統中添加一些東西,便會失去氣味受體與投射神經元之間精確的一對一對應關係?「這似乎違反直覺,」米森伯克說,「為什麼要把清脆且鮮明的輸入訊號模糊化,把它弄得更吵雜?」他提出的假設是,噪音之所以會出現是有原因的。也許興奮性局部神經元刻意將噪音注入系統,如此便能利用隨機共振,讓微弱的氣味更容易被發現。

神經元會刻意將噪音注入系統。圖/pixibay

這些說法讓後續發生在感應輸入訊號上的現象變得合理起來。投射神經元將訊號發送到其他被稱為「肯揚恩細胞」 (Kenyon cell) 的神經元,這些神經元位於被稱為蕈狀體的結構上,這結構與蒼蠅大腦學習與記憶的能力有關。每個肯揚恩細胞都接收許多來自投射神經元的輸入,但它們有極高的反應閥值,並且只在大量神經元同時發射時才會啟動。和其他氣體相比,這種投射神經元更容易對自己的對應氣體起反應,而每一個肯揚恩細胞只會針對單一氣體啟動,所以系統會重新取得特異性。

米森伯克的團隊還讀到1983年由德國馬克斯普朗克研究所神經生物學院的亞歷山大.鮑爾斯 (Alexander Borst) 所寫的文章,文章描述了一種連接嗅神經球的抑制性局部神經元網絡。米森伯克認為,這些神經元可能會對那些興奮性局部神經元產生反效果,從而阻礙了受體神經元的強烈訊號。

果蠅肯揚恩細胞研究的重要性

那麼,為什麼要多此一舉去強化微弱的訊號,而弱化強烈的訊號呢?米森伯克認為,這種狀況之所以會出現,是為了消除極端的氣體濃度。「若直接把一朵花放在鼻子下面,你必須要在香味很淡及花朵盛開時,都能聞到花香味,並且認得出那是一朵玫瑰花,」他說,「必須有個機制能根據氣味濃度來消除變異,我們認為這正是中間層在做的事情。」

不論濃或淡,我們都能辨認出玫瑰花的香氣。圖/pixibay

米森伯克的團隊仍在想辦法證明「刻意製造噪音的設計」之存在,為此而付出努力。藉由改變局部神經元,他們希望知道如何改變噪音量。米森伯克預測,在完全靜音的環境下,微弱的氣體就不太可能觸發肯揚恩細胞;另一個預測則是,果蠅對於微弱氣味的反應,將變得不那麼敏感。關於這點,研究人員可以透過觀察牠們如何避免不好的氣味,來進行測試。

然而這種做法很麻煩,其中部分原因在於,研究人員不知道果蠅腦中有多少局部神經元。如果他們想看到預設的結果,就必須對果蠅進行大幅改造。

如果他們成功了,他們希望能在哺乳類動物大腦中看到類似的事情。但是,牛津大學的托馬斯.克勞斯伯格 (Thomas Klausberger) 認為,要在哺乳動物大腦中,發現類似果蠅局部神經元製造噪音的細胞,將是一個巨大的挑戰。克勞斯伯格已在老鼠的海馬體中,發現了新型的中間神經元,這種結構之所以會被拿來和昆蟲的蕈狀體相比,是因為它在學習和記憶上扮演的作用。他指出,單單海馬體的一個區域,就包含了至少二十一種不同類型的中間神經元。

適度的噪音有利動物行為

1993年,聖路易斯的密蘇里大學生物物理學家弗蘭克.莫斯 (Frank Moss) 做了小龍蝦研究。長期以來,莫斯一直懷疑動物會利用隨機共振,藉此提高牠們生殖的成功率,而米森伯克的發現也讓他留下深刻的印象。

莫斯的一項研究首次證明了外部施加的噪音,能透過隨機共振發揮作用。他用匙吻鱘做實驗,這種魚會利用鼻子裡的電感應器偵測浮游生物(牠們的自然獵物)發出的微弱電子訊號,以此尋找食物。莫斯把一隻匙吻鱘放入一個含有浮游生物的水箱裡,並附上兩個會以隨機變化的電場形式產生噪音的電極。當他測量噪音的影響時,發現有個中間振幅可讓魚獵食的成功率顯著增加。

匙吻鱘長長的鼻子內部有電感應器。圖/wikipedia

當噪音的水準是中等的時候,鱘魚會出現最佳表現,這是隨機共振的特徵之一:噪音太小,訊號沒有達到閥值;噪音太多的話,訊號又會被噪音淹沒。因此,噪音和益處之間的關係,像是一個顛倒的 U 形。

莫斯後來將注意力轉移到被稱為水蚤或魚蝨的小型水生甲殼類動物身上,牠們為生物體內會產生的隨機共振提供了另一個證據。

水蚤有種覓食特性。牠們在尋找食物時,會依循一系列跳躍、暫停、轉角和再跳的動作行動。用肉眼來看,轉角的變化看起來很隨機。

但莫斯不這麼認為。他和他同事拍攝了五個不同種類的水蚤,在淺水池裡找尋食物的影片,並測量了數百個轉角角度。當他們在繪製這些角度的頻率分布圖時,發現這些轉角並非全都是隨機的,因為有些轉角比其他角度更頻繁出現。這些轉角的整體分布,可用被稱為「噪音強度」的參數進行數學描述,這是我們測量噪音的隨機程度方法。

接著,他們使用不同的噪音強度,在電腦上模擬水蚤的覓食活動。結果發現,最成功的覓食策略,是利用他們在真正水蚤實驗中測量到的噪音強度水準。根據經典的倒 U 型隨機共振,較低或較高的噪音強度會降低覓食的成功率。雖然沒有人知道,水蚤究竟如何知道牠們該如何分配轉角,但莫斯的團隊認為,這就是隨機共振的一個實例,而這種隨機共振一定是在水蚤體內產生的,也許是在大腦之中。他認為,最佳的噪音強度必須是天擇的產物,因為採用這種強度的水蚤會發現更多食物,從而最大化其適應能力。

大腦製造的噪音真的是噪音嗎?

然而,生物系統會利用體內產生的噪音,這樣的想法仍然有問題。其中一個大問題是,果蠅的局部神經元所製造的噪音,是真正的噪音嗎?南加州大學洛杉磯分校的電氣工程師巴特.柯斯可 (Bart Kosko) ,是2006年出版的《噪音》一書作者,他說他不相信是這樣的。

噪音有嚴格的數學定義;而在複雜的生物系統中,看起來像噪音的東西,往往被證明是從別處跑出來的訊號。柯斯可說:「我們要做的是把那種『噪音』源拿來,並說明它們具有噪音在統計上的痕跡。如果不是真正的噪音,那麼根據定義,就不會有隨機共鳴。」

紐約大學的神經科學家捷爾吉.布茲薩奇 (György Buzsáki) 更進一步認為,如果大腦中有某些東西可以讓微弱訊號增長到閥值,那東西不太可能是噪音。「製造噪音可是一件非常耗費成本的事,」他說,「一個好的系統,比如我們預設的大腦,可是負擔不起這個成本。」

製造噪音對大腦來說是一件非常耗費成本的事。圖/pixabay

布茲薩奇同意米森伯克的觀點,認為那可能是一種類似噪音的訊號,可以用來調節哺乳動物的大腦活動,但沒必要引起專門製造噪音的迴路;相反地,他點出腦部會產生的自發性神經活動 。

神經元有兩種類型的活動,分別是自發和誘發。自發性活動不需要外部刺激即可獨立發生,而誘發性活動則是對外部刺激所產生的反應。神經科學家對自發性活動很有興趣,因為它能讓人腦產生更高的心智活動。自發性活動可以在神經元網絡上傳播,而神經同步發射的暫態期約為每秒四十個尖波。有人認為,所謂的伽馬波就是一種結合不同認知過程的方法,藉此產生感知。

布茲薩奇說,微弱傳入的訊號可以搭在這些自發性的活動波上,藉此提升到閥值以上。這是一種提高微弱訊號的更省成本方法,因為自發性活動消耗的能量很少。

當然,這兩種可能性之間有個關鍵的相似處,就是兩者都是有一個訊號推動另一個訊號超過閥值。「它們的原理是一樣的,」米森伯克說。但是,對於瞭解大腦的基本運作,以及為了讓我們在未來可能利用隨機噪音和感官輔助器(例如視網膜植入物)的隨機共振現象來說,這些細節很重要。

我們必須多等待一些時間,才能瞭解天擇創造出的大腦,是否內建了一個隨機的噪音產生器,或是大腦只能借用其他神經訊號當作噪音。無論是哪種方式,果蠅的大腦似乎都不能在沒有任何震動之下運作,所以我們的大腦可能也在震動。

 

 

本文選自泛科學2018年7月選書《偶然的科學:好運、隨機及機率背後的秘密》,八旗文化。

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