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聽古典音樂讓你變聰明?「莫札特效應」是真的嗎?──《好聲音的科學》

PanSci_96
・2018/12/01 ・4923字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

一九九三年,以羅雪(Frances Rauscher)為首的一群心理學家,在聲譽卓著的科學期刊《自然》(Nature)上,刊登了一篇題為〈音樂與空間測試的表現〉(Music and Spatial Task Performance)的論文。

圖/論文截圖

這項研究是為了瞭解學生們,在花十分鐘做了下面三件事的其中一件後,於某項智力測驗上的表現如何:在這十分鐘裡,有的學生聽的是教人放鬆的指令,有的只是安靜地坐著,而其餘學生則聽了十分鐘的莫札特鋼琴曲。接著,所有人都做了同樣的測驗。

測驗結果顯示,聆聽莫札特音樂的那組學生,比聽放鬆指令或是什麼都沒做的學生,成績都要來得好,而進步的幅度,相當於比他們原本的智商高出了八或九分──這對他們來說可是很有用的。

在這項測驗中,學生們要看一些經過摺疊裁剪的紙張上面的圖形,並猜測這張紙在沒有摺過前是什麼樣子。這裡有一個類似的例子:你能看出下圖的紙張,在經過摺疊和裁剪後,會變成圖A到E中的哪個形狀嗎?(解答請見本章最後一頁)

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圖/出版社提供

問題在於後來發生的事。

要是當初羅雪博士及其團隊,將這項測試結果發表在某份不知名的心理學期刊上,那麼在她專業領域內的同僚就會閱讀,並將它加進眾多有關大腦運作的已知資料中,並勤於增修這些資料。但,《自然》可是首屈一指的期刊,許多非常新奇、甚至顛覆世界的科學發現都會刊登在這裡,也就是說,各家報紙媒體都會聘請專家學者(或至少是某個戴眼鏡的傢伙),按月詳讀其中的每篇文章,搜尋有關癌症療法,或是無需熨燙的褲子等各種新穎題材。

古典音樂可以提升智商?這說法實在太誘人了!

羅雪博士的發現,在經過這些戴著眼鏡的記者不斷散播後,媒體便充斥著古典音樂能提高智商的報導,而「莫札特效應」(Mozart effect)的說法也就不脛而走。但羅雪博士不但從未表示聆聽莫札特的音樂能提高智商,而且還對媒體那些短視的新聞從業人員解釋了好幾次,卻根本是徒勞。她所談的,不過是某些「技能」,與我們所想像特定行為的結果有關罷了。

當然,根本沒人關心她到底說了什麼。古典音樂能讓人變得更有腦的說法實在太誘人,因此可不能揭露實情,免得大家想像幻滅。

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圖/pixabay

之前有很長一段時間,各行各業人人都相信這套說法。

英國古典音樂廣播電台 Classic FM 還推出了一張名為《嬰兒音樂》的暢銷 CD。在美國,新罕布什爾州則贈送新手媽咪人手一張古典樂 CD,佛羅里達州還通過一項法案,要求州立的托育中心播放古典音樂,德州監獄甚至播放交響樂給受刑人聽,還因此引發許多淋浴時刺傷人的事件,因為大哥們竟為了拉赫曼尼諾夫和西貝流士孰優孰劣而起爭執。到了一九九○年代末期,由心理學家亞德里恩.諾斯和大衛‧哈格里夫斯在加州和亞利桑那州所進行的調查,發現每五個人中就有四個人知道莫札特效應。莫札特應該會感到很欣慰才是。

從那時開始,許多心理學家就開始探究智商與聆聽莫札特音樂之間是否有關聯。二○一○年,研究人員在檢視了各種與此主題相關,共有超過三千人參與的三十九項調查後,確定真的有所謂的莫札特效應──但卻跟莫札特一點關係也沒有。

從莫札特到史蒂芬金……也太不懷好意了吧。圖/imdb

多倫多大學的心理學家 E.格倫.夏倫柏格(E. Glenn Schellenberg)及其同事,針對這方面做了許多研究,在其中一項實驗中,他們將莫札特音樂換成了驚悚大師史蒂芬金(Stephen King)小說的錄音。這項做法看似奇怪,但夏倫柏格教授和他的團隊卻想藉此瞭解,是否音樂本身根本就不是重點。

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其實,重點是要讓心情變好

也許在做智力測驗之前,只要播放任何讓人愉快的東西,就能使人擁有好心情,並因此表現得更好。由於參與測試的都是大學生,不可否認地,這些大學生可能只是對史蒂芬金的小說,跟對兩百年歷史的鋼琴曲一樣喜愛罷了。我相信,若是學生們事前先聆聽一段音樂或故事,而非安靜地坐著的話,也會在相同的「紙張未摺前應該是什麼形狀」測驗上,有較佳的表現。測驗結束後,這些學生必須表明自己比較喜歡聽故事還是音樂。較喜歡聽故事的學生,在聽完故事後所做的測驗分數最高;同樣地,較愛好音樂的學生,則是在聽完音樂後做的測驗分數最好。

因此,我們現在不必再費神搞懂,為何莫札特的音樂能神奇地重整大腦模式,讓它變得更有效率了。因為,這個「莫札特效應」不過是一個眾所周知的道理罷了──處於正面的心理狀態,就能增進智力上的表現。

《阿瑪迪斯》劇照。圖/imdb

所謂「正面心理狀態」就是好心情加上適度的刺激。這裡的「刺激」指的是與沉悶相反的情緒。如果你處於不夠刺激的情境(覺得無聊或昏昏欲睡),你的大腦就沒辦法做太多事,此時要是有人突然拿智力測驗給你做,成績自然就會不好。

相反地,你也可能受到太多刺激,如太過興奮或緊張等,如此也會導致表現不佳。只有在處於適度刺激的狀態下,也就是在聽了故事或音樂後,再接受測驗,才會有最佳表現。最重要的是,你若愈喜歡這個故事或音樂,心情就會愈好,而心情好也有助於增進表現。當你心情不錯時,多巴胺的分泌就會增加,據說這樣思考時就會更有彈性,解決問題和做決定的能力也會變強。

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為了證實這一點,多倫多研究團隊開始嘗試在進行測驗之前,播放各式各樣的音樂,然後看看結果如何。不出所料,他們很快就發現了「舒伯特效應」,也就是出現了跟莫札特效應一樣的效果。雖然其他作曲家的作品也都產生了相同的效果,但研究團隊卻預測應該不會出現「阿比諾尼效應」。

義大利作曲家阿比諾尼(Tomaso Albinoni)是那種一曲成名走天下的音樂家之一,你或許曾聽過他那一千零一首作品〈慢板〉,但由於這首曲子實在太過悲傷和緩慢,因此不太可能讓你感到振奮,或是讓你擁有好心情。不用說,要是在做摺紙(剪紙)測驗前播放這首曲子的話,自然也就不會出現阿比諾尼效應了。

  • 其實,阿比諾尼恐怕是音樂史上唯一的「無曲」成名者。因為就連那首〈阿比諾尼之慢板〉,也極有可能是出自一九五○年代義大利音樂學家兼作曲家雷莫‧賈佐托(Remo Giazotto)之手。

在當初的測驗中所播放的莫札特作品,乃是以大調譜寫且曲速稍快,因而給人一種歡快的感覺。多倫多研究團隊曾嘗試以較緩慢的速度,以及將它變成小調(我們知道小調會激發較為悲傷的情緒)等方式,播放這首曲子的不同版本給受測者聽。他們用了各種版本做測試後,證實曲速較快的音樂更具激勵效果,而大調樂曲則會讓人心情更好,因此,速度快的大調樂曲就會讓人們在測驗時擁有最佳表現。

圖/pexels

之後當研究團隊在多倫多再也找不到受害(測)者時,便決定入侵英國。他們說服英國國家廣播公司(BBC),協助他們同時為大約兩百所學校裡近八千名學童做測試。他們將每一所學校中的十到十一歲學生分為三組,並分別集中在三間教室裡,且每間教室都準備了一台收音機。

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  • 第一組學童聽的是BBC第一電台(Radio 1)播放的流行樂團Blur的歌曲;
  • 第二組聽的是BBC第三電台播放的莫札特作品;
  • 第三組聽的則是心理學家蘇珊‧海拉姆(Susan Hallam)探討他們正在做的這項實驗的錄音。

在播放完畢後,學童們做了兩項關於空間能力的測試。在這項針對好心情(刺激)理論所做的實驗中,一如我們所料,這些學童在聽過最能刺激他們且最喜歡的播音內容後,所做的測驗結果也最好──因而現在又多了一個「Blur效應」了。

這一切重點在於,在接受下一個腦力挑戰前,你聽的是什麼內容並不重要,不論是莫札特、Blur的音樂作品還是史蒂芬金的小說都行,只要是你喜歡又具有溫和刺激效果的東西,就能短暫地提升大腦的性能。

進行這些測試的目的,是為了瞭解當人們因為聽了某些東西,導致精神與情緒變得更為高昂時,會產生什麼效果。雖然我們的精神和情緒通常是同時起落,但兩者卻並非總是息息相關。你可能既開心又想睡,也可能既開心又興奮。你的心情隨時都跟大腦分泌了多少多巴胺有關,而精神卻跟另一種截然不同、稱為「正腎上腺素」(norepinephrine)的化學物質有關。

大腦中可以以正腎上腺素為神經傳導物質的區域。圖/wikipedia

 

為了將情緒和精神這兩種心智效果分開來看,心理學家賈本葉菈‧伊利耶(Gabriela Ilie)以及威廉‧福德‧湯普森在二○一一年時,找了幾組人進行了一項實驗。他們請實驗對象在聽完為時七分鐘的古典鋼琴曲錄音後,接受幾項心理和創意測驗。其中有些人覺得這首鋼琴曲彈得很大聲、快速且音調高;有些人反而覺得這首曲子音量小、速度慢且音調低;至於其他組別則在音量、速度和音高上有各種不同的看法。此曲的節拍最具有提振精神的效果(較快的曲速所產生的刺激效果最好),而音高對情緒效果來說則比較重要(音高較高的曲子最能使人們感到開心)。因此這首樂曲在各組中,產生了不同程度的精神和情緒提振效果。

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蠟燭測試。圖/wikimedia

至於這些實驗對象所做的創意測驗,則是由心理學家當肯(Dunker)所提出的一項著名的蠟燭測試,以及麥爾(Maier)的雙索測試。在蠟燭測試中,受測者會拿到一盒圖釘、一組火柴棒,還有,想當然,一根蠟燭。受測者必須利用手中的物品,以避免讓蠟油滴到地板上的方式,將蠟燭固定在牆上。

(假如你現在有興趣的話,可在往下讀之前,先小試身手一下……)

這項測驗的標準答案是取出兩根圖釘,並扔掉其餘圖釘後,將空盒釘在牆上,然後再將蠟燭黏在盒子上。

圖/pxhere

至於雙索測驗則比較難搞,要是在做測驗當天剛好又沒什麼靈感的話,就更傷腦筋了。研究人員在天花板上掛了兩根不同長度的繩索,受測者必須要將兩根晃動繩索的尾端綁在一起。而難搞之處就是,你在抓住了一根晃動的繩索後,便無法碰到另一根。而你所能使用的輔助工具,就只有一把剪刀和一張椅子。

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(同樣地,在往下讀之前,你可先小試身手一下……)

我相信有些人會想到利用椅子,但其實並不需要。只要把剪刀綁在其中一根繩索上,然後讓它擺盪起來,接著,在抓住了另一根繩索後,等第一根繩索向你擺盪過來時,再把它攔截住。一旦兩根繩索都抓住後,就可以輕鬆地將兩端綁起來了。

最後一項測試則不太需要創意,這項簡單的腦力活動只要速度快便能完成。在電腦螢幕上有四百零八個幾何圖形,受測者必須找出並點選那個出現了五十八次的圖形。

心情好,創意佳,刺激就有好精神

那麼結果如何呢?是這樣的,當音樂並沒有讓情緒變得比較好,但卻大幅地提振了受測者的精神時,這些人在最後一項簡單的速度測試上的表現相當好,而在蠟燭和雙索試驗上表現較差。相反地,那些沒有得到什麼精神刺激,但情緒卻大幅改善的測試者,則在創意測驗上的表現較佳,而在簡單的圖形測試上反應較慢。因此,這項實驗的兩個結論是:

一、情緒改善能讓人變得更有創意;

二、增加刺激能讓人在簡單的思考活動上反應較迅速。正如我之前說過,當我們在聆賞音樂時,情緒和精神通常會同時起落,讓你兩種好處一次滿足。

目前,我們所探討的是在接受測驗前,聆聽音樂所產生的效應。但要是在你需要思考和專心做某件事,例如唸書或是填報稅單時播放背景音樂的話,又會如何?

 

本文摘自《好聲音的科學:領袖、歌手、演員、律師,為什麼他們的聲音能感動人心?》本事出版,2017 年 10 月出版。

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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睡眠不足來杯咖啡?小心!這可能是個惡性循環——《人類文明》
天下文化_96
・2024/06/19 ・2251字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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咖啡因對大腦的影響

咖啡因是一種分子上的模仿大師。人類醒著的每一分鐘,腦中都會不斷增加腺苷(adenosine)這種化學物質,像是沙漏的沙子不斷累積,能夠告訴我們已經醒著多久,且會讓大腦運作逐漸放緩,創造出一種睡眠壓力,讓人體做好入眠的準備。所以醒著 12 個小時到 16 個小時,人就會感受到一種難以抗拒的誘惑,想回臥室躺著進入夢鄉。

然而,咖啡因的分子結構十分類似腺苷,能夠搶先一步與腺苷的受體結合,卻不會活化受體;這樣一來,反而是對這些腺苷受體形成一種化學封鎖。所以,只要你的腦中有大量咖啡因,腺苷就無法與受體結合,難以傳遞正常的訊號咖啡因就是靠著這種藥理作用來抑制睡意,使大腦保持警覺與專注。雖然腺苷依然不斷在大腦中堆積,只不過所發出的訊號就這樣被咖啡因給堵住了。但是,等到身體分解了咖啡因,腺苷就會宛如大壩潰堤,讓人感受到沛不可擋的睏意——這就是可怕的咖啡因崩潰(caffeine crash)。

植物合成咖啡因,原本是做為一種天然的殺蟲劑,避免葉子或種子遭到啃食,甚至還能殺死昆蟲。但奇怪的是,像是包括幾種咖啡類與柑橘類植物在內,有些植物的花蜜也含有咖啡因,花蜜原本該是用來吸引昆蟲授粉的。實驗結果顯示,咖啡因能夠增強蜜蜂的嗅覺學習能力,讓蜜蜂更能記得這些花的氣味,於是不斷回訪這些有著咖啡香氣的花朵。也就是說,這些植物等於是讓蜜蜂吸了興奮劑,引誘它們成為自己忠實的授粉者;可以說,正是咖啡因讓蜜蜂願意不斷嗡嗡嗡上工。

研究顯示,咖啡因是蜜蜂的興奮劑,可以讓他們願意不斷嗡嗡嗡上工。圖/envato

咖啡因的另一個作用是增加依核裡的多巴胺濃度,同時也會提高多巴胺受體的敏感性。這會刺激我們前面提過的中腦邊緣報償路徑,讓人在喝到一杯好茶或咖啡的時候,感受到愉悅的好心情;但也會讓人上癮。人類之所以愛喝咖啡或茶之類的飲料,是因為這能夠刺激大腦、抑制睡意;而且只要一開始喝了,就會因為咖啡因成癮而讓人維持這樣的習慣。於是回過頭來,我們就看到咖啡因對歷史產生了長久的影響。

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在啟蒙時代,咖啡在歐洲咖啡館裡刺激了知識份子的思想與話語;到了不斷變化的工業時代,則是茶讓英國工人階級的身心得以調適。工業革命淘汰了像是編織、打鐵這些傳統工藝,以龐大的機器加以取代。從煤氣燈到電燈泡,各種人造光源讓工廠開始能夠一路運作到深夜。而咖啡因不但能讓工人在單調無趣的工廠環境裡,維持清醒專注,連那些營養不良造成的飢餓感也能一併排除。茶裡面加的糖也能提供熱量,讓人在長時間的輪班期間維持體力。咖啡因就這樣將工人變成了更好的零件,更能配合那些永遠不知疲倦為何物的鋼鐵機器。

〔附注:出於類似的原因,戰爭時期的軍隊也會運用各種精神藥物。像是希特勒速度驚人的閃電戰,先是在 1939 年 9 月橫掃波蘭,接著在 1940 年初攻下法國與比利時。這一方面靠的當然是德意志國防軍裝甲師的機動性,坦克既配備了無線電裝置用於協調,還能得到德意志空軍轟炸機的空中支援。但另一方面,這項成功的背後還有另一項技術的支援:靠著合成興奮劑「甲基安非他命」(methamphetamine,分子結構類似腎上腺素),德軍能夠戰得更猛更久,而不會感覺精神倦怠或身體疲勞。安非他命的化學作用讓人進入高度警覺狀態,也大大提升了自信與攻擊性。閃電戰的成功,靠的其實也是部隊嗑了藥。就連希特勒本人也同時混打多種藥物(古柯鹼、甲基安非他命、睪固酮),提供作戰指揮時的體力。〕

咖啡因不但能讓工人在單調無趣的工廠環境裡,維持清醒專注,連那些營養不良造成的飢餓感也能一併排除。圖/envato

所以講到工業革命,工廠與磨坊的動力靠的是蒸汽機,但如果是操作機器的工人,靠的燃料就是東印度公司帶來的茶葉、加上來自西印度群島的糖。於是,茶的歷史深深植根於對勞工的剝削——從印度的茶園、加勒比海的甘蔗栽培園、再到英國的工廠,都壓榨著這些工人所有清醒的時分。

如今,若想要控制我們的睡眠清醒週期(sleep-wake cycle),咖啡因仍然是一項重要工具。這個科技社會的步調太過急促,不允許我們被動順應自己的生物時鐘,得主動加以調整,適應數位時鐘的要求。而很多人靠的就是自行攝取咖啡因,在每天上班途中把自己叫醒、讓自己能在辦公桌前熬夜趕工,或是在長途飛行後,把生理時鐘同步到新的時區。很多咖啡因成癮者都能自己調整這種藥物的劑量,一方面巧妙發揮咖啡因的正面作用,讓自己更能面對現代世界對專注力的需求,另一方面也能避免過度攝入造成的負面作用,像是焦躁不安、心跳加速、胃部不適。

然而,咖啡因雖然讓我們得以抑制大腦發出的睡意訊號,卻也成了現代人常常睡眠不足的一大主因。咖啡和茶就這樣和人類玩著兩面手法:我們喝咖啡和茶,是為了緩解長期的嗜睡;但造成這種情形的元凶也正是咖啡因。事實上,我們早上會想趕快來杯咖啡,讓腦子清醒一點、或是提振精神,很多時候其實是在緩解一夜難眠的戒斷症狀。

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——本文摘自《人類文明:生物機制如何塑造世界史》,2024 年 05 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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快樂的事物令人上癮?為什麼多巴胺讓你成「癮」?——《人類文明》
天下文化_96
・2024/06/18 ・2126字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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多巴胺與大腦的愉悅中心

腦幹是大腦最早演化出的區域之一,也是連結脊髓的關鍵。腦幹頂部有一組稱為腹側被蓋(ventral tegmentum)的神經元,而大腦中有一個控制行為的區域,稱為依核(nucleus accumbens),腹側被蓋與依核的溝通,是透過一群會釋放多巴胺的神經元,稱為中腦邊緣路徑(mesolimbic pathway);雖然這些神經元只占了大腦所有神經細胞的一小部分(不到 0.001%),卻對激勵人類生存與繁殖的行為至為關鍵。

人吃東西、解渴或做愛的時候,都會讓中腦邊緣路徑釋放多巴胺。而且觀看、甚至只是去想些色色的事情,就足以刺激多巴胺的分泌。某些讓人覺得心滿意足的事,例如第一章〈文明背後的軟體〉談過的復仇、或是打電玩獲勝,也能刺激我們的多巴胺系統。

人腦接收到這些報償訊號,就會感覺愉悅,因此常有人說多巴胺是大腦裡的快樂物質。在動物界,不是只有人類具備這樣的多巴胺釋放機制。所有哺乳動物都有這樣的中腦邊緣報償路徑,可說是大腦運作最古老而基本的其中一項功能。事實上,整個動物界都很常看到這種用多巴胺或相關神經傳遞物質,來影響行為的系統。

人類遇到快樂的事,中腦邊緣路徑就會大量分泌多巴胺。為了讓我們順利生存,大腦就會想去重複那些上次啟動多巴胺系統的行為,並避開那些曾經抑制多巴胺系統的舉動。圖/envato

只要遇上對人有利的情形,例如有吃有喝,或特別是意外之喜,中腦邊緣路徑就會大量分泌多巴胺;相對的,遇上對人不利的情形,例如接受到負面經驗,或是沒有得到預期的報酬,則會讓多巴胺濃度下降。所以,為了調整人類行為,好讓我們在自然棲地成功生存,大腦就會讓我們想去重複那些上次啟動多巴胺系統的行為,並避開那些曾經抑制多巴胺系統的舉動。所以,這套關於快樂與報償的神經化學系統,其實也就是一套關於學習的神經化學系統。

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這條多巴胺路徑也連結了腹側被蓋與前額葉皮質;前額葉皮質是大腦前側一個有皺摺的區域,人類的這個區域明顯大於其他動物。前額葉皮質掌管各種高階的「執行」功能,例如對特定目標做出決策與規劃,因此也同樣受到多巴胺報償系統的控制。

這套由多巴胺引導的機制,很有效的讓人類表現出有利於在自然界生存的行為。然而,等到人類發現可以用其他方式(也就是各種藥物)來刺激這套機制,目的並不是為了生存,那就開始出問題了。酒精、咖啡因、尼古丁、鴉片,這四種藥物會有效讓人腦的報償系統出現短路,引誘中腦邊緣路徑釋放多巴胺(或是抑制多巴胺的消退、又或是讓神經元表面的受體更加敏感),於是讓人感受到愉悅、甚至是狂喜,強度遠遠超出自然界能給人的快樂。然而,相較於像是「進食」這種自然觸發多巴胺的因素,由這些藥物產生的愉悅永遠不會讓人覺得已經滿足。

這些藥物會在中腦邊緣路徑產生錯誤的訊號,讓人誤以為這種行為大大有益於生存繁衍,於是推動學習機制,重新設計大腦的連線,來反覆追求這些行為。人的癮頭正是由此而生,讓人產生渴望與強迫的行為,追求立刻就要得到的滿足感,不像是在自然世界當中,總得付出一些代價(例如花時間狩獵),才能得到多巴胺的報償。

人類現在可能也困在成癮的快樂陷阱裡。圖/envato

科學家曾在 1950 年代做過實驗,以手術將電極植入大鼠的大腦深處,讓大鼠只要每次按下某個開關,就能刺激依核。結果發現大鼠開始出現強迫性按開關的行為,每小時高達兩千次。牠們不喝水、不吃飯、不睡覺,不做任何正常的行為,就只為了讓自己不斷感受那純粹的歡愉,直到最後不支倒地。

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可悲的是,人類現在可能也困在類似的陷阱裡,只不過並不是有個電極埋在大腦裡直接發出刺激,而是有些化學物質同樣瞄準了提供報償的中腦邊緣路徑。更糟的是,原本的天然植物產品現在還能提煉濃縮,甚至用化學手法提升效力,像是從鴉片原料合成海洛因(heroin)。比起過去口服的方式,現在透過口吸、鼻吸、甚至是直接注射到血管裡,就會讓活性物質更快對大腦發送一波衝擊,不但讓人更為狂喜,也讓人更容易成癮。

由於多巴胺系統會重新校正,經過幾次感受到重大報償後,多巴胺的釋放還是會回到基本水準。這稱為對藥物的習慣化,也是因此,才讓癮君子(不管習慣化的是咖啡因、還是古柯鹼)總會需要愈來愈高的劑量,才能感受到原本的興奮程度。正如神經內分泌學家薩波斯基(Robert Sapolsky)所言:「昨天還覺得是意想不到的快感,到今天就覺得理所當然,再到明天還會覺得怎可以此為滿。」於是不用多久,藥物曾經能夠帶來的愉悅就這樣消逝不再,繼續用藥只是為了避免戒斷時的種種不適。到頭來,這幾種藥物極有效的侵入大腦,劫持了原本能夠調整行為以利生存的報償系統,藥物濫用也成了人類普遍的弱點。

——本文摘自《人類文明:生物機制如何塑造世界史》,2024 年 05 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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