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大腦處理視覺資訊的新線索

Jacky Hsieh
・2012/08/02 ・808字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 536 ・七年級
相關標籤: 注意力 (23)

photo credit: The.Rohit via photo pin cc
你想過大腦如何從成千上萬、不間斷映入眼簾的視覺資訊中,過濾掉不重要的內容,專注在有意義的視覺資訊上的嗎?

這樣的過程稱為「選擇注意力(selective attention)」,科學家不斷的辯論其大腦中的運作過程,Wake Forest Baptist醫學中心的研究者在動物實驗中發現了一項新的線索──關於前額葉(prefrontal cortex)在選擇注意力中扮演的角色。

選擇注意力的處理歷程中,主要可分做兩種:「由下往上(bottom-up)」與「由上往下(top-down)」。由下往上,是指注意力會自動導引到顏色、形狀或動作方向與眾不同的那個從背景跳出來(pop out)的影像,例如在高速公路上的廣告板;由上往下,則發生在當一個人專注於某個已知目標,像是在人群中搜尋你的家人。

在過去的研究,科學家相信這兩種注意力歷程是由不同的腦區控制的,由下往上的注意力發生在後頂葉(posterior parietal cortex, PPC);而由上往下的注意力發生在前額葉。

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Wake Forest Baptist醫學中心的Christos Constantinidis博士說:「我們的研究結果,提供注意力神經機制的證據,這也與注意力不集中(attention deficit hyperactivity disorder,ADHD)有關連,因為ADHD的患者有困難過濾視覺訊息,或是無法投入注意力,我們的實驗結果建議,有意識的投入注意力(由上往下)與移動注意力到吸引眼睛目光的物件(由下往上)都與前額葉有關。」

他們研究訓練了兩隻猴子看電腦螢幕上的影像進行實驗,同時記錄前額葉與後頂葉的神經元活動。螢幕上的影像會有一個圖示因為顏色不同而「跳出」,像是一個紅點環繞著許多綠點,目的是要促使由下往上的注意力發生,也因此那個與眾不同的圖示,不能被預期位置或是圖示性質(「預期」就變成了由上往下)。猴子要做的事情是,當牠一偵測到與眾不同的圖示,就要按下反應盒,而結果發現,此時紀錄的神經元活動不僅在後頂葉,在前額葉也同時發生。

原文網址:New Clue On How Brain Processes Visual Information—Science Daily [2012-07-22]
研究出處:《Nature Neuroscience》Early involvement of prefrontal cortex in visual bottom-up attention

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Jacky Hsieh
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中大認知所碩士。使用者經驗工程師。喜歡寫東西分享。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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集中注意力就不會犯錯嗎?注意力超集中,大腦反而會忽略細節!——《我是誰》
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・2022/11/08 ・1563字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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我們的注意力若是集中在某個事物上,我們的腦部往往完全不會顧及其他東西,就算這些東西可能非常愚蠢,愚蠢到其實我們應該注意到的才對。

注意力集中的實驗:大猩猩服裝實驗

關於這樣的情況,伊利諾大學香檳分校的心理學家丹尼爾.賽蒙斯(Daniel Simons)和哈佛大學的克里斯多夫.查布里斯(Christopher Chabris)所拍攝的影片,著名的「大猩猩服裝實驗」,就是個很好的例子。

影片中有兩隊人面對面地玩球。一隊穿著白色衣服,另一隊穿著黑色衣服。兩隊各有一顆球,都傳球給自己的隊友,傳球的時候總是讓球先落地然後彈起。這時安排一個人數不少的測試組來觀看這段影片,他們的任務是計算白隊的球一共落地彈起了多少次。

計算白隊一共傳了幾次球。影/Youtube

大部分的受測者都能毫無問題地完成任務,說出正確的次數。然而測試員還想知道別的,也就是觀眾們是否注意到了任何不尋常的東西。一半以上的受測者均給予否定的答案。直到他們第二次再看影片且不去專心計算時,才驚訝地發現影片中有一個穿著大猩猩服裝的女人拖著腳步穿過畫面,停在畫面中央學著猩猩捶胸。

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而大多數的觀眾由於太過專注在「計算次數」這件事上,因此竟完全沒注意到這隻大猩猩! 心理學家以同樣的實驗要求另一組受測者計算黑隊的球落地數,結果也有三分之一的人沒注意到大猩猩。這名喬裝的女人之所以較能吸引黑隊觀眾的目光,是因為大猩猩的服裝也是黑色的。

這段影片是一個很明顯的例子,說明我們的注意力如何對感知到的東西進行過濾,而且我們不會意識到這個「過濾」的工作能達到這般程度。我們的注意力像是一盞探照燈,只能照亮很小的範圍,而其餘的黑暗部分則進入無意識的領域。

我們的注意力會對感知到的東西進行過濾。圖/Youtube

無意識的行為能幫助我們生活更便利

我們大部分的無意識源自於這種未被照明的感知。另一個重要部分則由我們在母體內以及一到三歲的經歷所組成。在這段時間裡,我們其實已經有了許多深刻的感知,但由於我們的聯合皮質尚未成熟,因此無法儲存這些經歷並將它們作為有意識的經歷來支配。

我們人格的三分之二左右是以這樣的方式逐漸成熟的,而我們自己日後卻不會記得,也無法想像當時確切的情況。

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除了每天生活中無意識的感知以及幼童時期深藏的無意識以外,還有一些其他的無意識,例如下意識的「自動行為」。我常常驚訝於自己能在爛醉的狀態下走數公里的路並安全到家,即使我後來怎麼也想不起回家的路上究竟發生了什麼事。

而當我此刻正在打這行字時,我的手指又是如何在十分之一秒的速度下找到鍵盤上的鍵呢? 如果有人蓋上鍵盤要我標記,那麼我大概連一個鍵也標記不出來。我的手指顯然要比我還來得聰明呢!

我們手指記鍵盤的位置,可能比我們用腦袋記還清楚。圖/Pixabay

還有那些曾經歷過卻又遺忘的事物,雖然有很長一段時間完全不在我的意識當中,多年後卻因為某個刺激信號而又再度想起。其中一個非常典型的例子就是氣味;氣味能夠將一連串原以為遺忘的畫面重新喚回到意識中。

——本文摘自《我是誰:對自我意識與「生而為人」的哲學思考》,2022 年 10 月,啟示出版,未經同意請勿轉載

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不用靠心電感應!只要專心「聽故事」,你的心率也能和他人同步
Bonnie_96
・2021/10/10 ・2026字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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想像一下,你只是在專心聽故事,即使其他人不在同個空間一起聽。但你們的心率卻會不自覺地同步,你相信有這麼神奇的事嗎?

圖/Pexels

在過去研究中 [1],科學家就發現當人們在同個空間,一起看電影或現場表演等共同體驗活動,大家的心律和呼吸等身體機能就會不自覺地同步。甚至,只要和另個人交談 [2],你和對方的大腦活動、心率也會同步。

最新發表在細胞報導(Cell Reports)的研究 [3],就發現參與者們只是聆聽故事,甚至不在同個空間,他們的心率也會同步。要能引發心率同步的狀況,有個前提:參與者必須非常專心。

只要靠聽故事,心率就能同步?

人們彼此會傳遞共同情緒等共感現象,長期以來科學家假設是源於我們大腦的社交天性。紐約市立學院教授、論文共同作者帕拉(Lucas Parra)就表示,過去有很多文獻指出,人們的生理機能會相互同步。但人要在以某種方式互動,並實際出現在同個地方。

但是帕拉也提到,我們的研究發現「這種現象要廣泛得多」,當人們只是專心聽故事、大腦處理這些刺激的同時,心率就會出現相似的變化。共同作者之一的西特(Jacobo Sitt)也補充,這是認知功能所驅動人的心率上升/下降,反而和故事情節所引發的情緒並不相關。

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而心率同步的前提,就取決於參與者是否專注聽故事,並思考接下來會發生什麼。因為我們的心率波動,有部分是由意識處理所驅動的,而大腦會對這些刺激做出反應。

圖/Pexels

「注意力」是真正影響心率的因素

研究者進行一系列四項實驗,來探索意識和注意力在同步參與者心率中的作用。首先,研究者讓參與者們(彼此之間沒有互動),聆聽法國小說家凡爾納(Jules Verne)的科幻作品《海底兩萬里》(Twenty Thousand Leagues Under the Sea)的有聲書。

「他們的心率會根據故事劇情而變化」研究者也透過心電圖(EKG)的測量發現,當參與者聆聽故事時,大多數參與者在故事到達特定劇情時,都會表現出心率增加/減少。

你可能會覺得,欸!這個實驗打臉前面論文作者西特所說,心率和情緒變化不相關的說法。於是,他們進行第二項實驗,讓參與者觀看具有教育意義的教學影片,這基本上就不會引發情感變化。

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去除情感變化的因素後,發現注意力是真正影響心率的因素。一開始,研究者先讓參與者專心觀看教學影片,大家的心率表現出類似的變化。有專心的情況,那也要測測看參​​與者在不專心時看影片,心率會不會同步。結果,幾乎所有參與者的心率同步情況都下降了。

光看心率是否同步,可以預測植物人的預後狀況嗎?

為了進一步測試注意力和記憶力的關係。在第三個實驗中,參與者分別要在專心、不專心的情況下,聆聽故事,並回想剛剛故事中的細節。結果發現參與者心率波動的情況,可以預測他們在回答有關故事問題時的表現。這也說明心率的變化,正是反映大腦是有意識地處理故事的訊號。

在最後一項實驗和第一個實驗類似,但不同的是,研究者找來有意識障礙的患者(像是昏迷或是處於植物人狀態)參與。多年來,這些患者可能是處在沒有反應的狀態。

然而,研究者想透過播放有聲書,測量 19 位患者們的心跳,來預測他們的預後情況。雖然患者的心率同步狀況明顯遠低於健康對照組,但有趣的是,其中只有 2 名患者表現和音檔同步的能力。

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研究結果指出,心率的變化,是反映大腦正在處理故事的訊號。 圖/Pexels

研究者在六個月後回訪,其中一位已經去世,另一名則完全恢復了意識和語言能力。剩下的 17 名患者中,只有 1 名非同步患者醒來,但他們無法說話。

西特也提到,雖然這項研究仍在非常初步的階段,但能夠想像這是個非常簡單的測試。可以運用實驗來測量大腦功能。而且實驗也不需要太多設備,甚至可以在救護車上進行。當然,這還需要對更多處於不同意識下的病患,進行實驗,並和 EEG、fMRI 等進行比較與驗證。

帕拉則表示,這項研究發現故事可以透過大腦功能,來影響我們的生理。不僅展示大腦與身體兩者的聯繫是多麼密切之外,且未來這類研究也能夠幫助我們更廣泛地理解大腦是如何影響身體,同時對於理解正念(mindfulness )是如何和大腦與身體聯繫的,都是可以深入研究的議題。

參考資料

  •  Hasson, U., Nir, Y., Levy, I., Fuhrmann, G., & Malach, R. (2004). Intersubject synchronization of cortical activity during natural vision. Science (New York, N.Y.), 303(5664), 1634–1640. https://doi.org/10.1126/science.1089506
  •  Zhang, J.R., Sherwin, J., Dmochowski, J., Sajda, P., & Kender, J.R. (2014). Correlating speaker gestures in political debates with audience engagement measured via EEG. In Proceedings of the 22nd ACM international conference on multimedia (pp. 387–396). ACM, 2654909.https://dl.acm.org/doi/10.1145/2647868.2654909
  •  Pérez P, Madsen J, Banellis L, et al. Conscious processing of narrative stimuli synchronizes heart rate between individuals. Cell Rep. 2020;36.  doi:10.1016/j.celrep.2021.109692
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