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學習沒有「關鍵期」,現在開始就不晚

果殼網_96
・2013/06/20 ・4936字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

成年人大腦的可塑性,遠遠超過我們過去的認識。如果掌握了正確的方法,你也能像兒童一樣學習。

如果你已經36歲,你很可能喜歡收集上好的葡萄酒、唱片或者體育比賽紀念品。但對於理查德•西姆考特(Richard Simcott)來說,他的收藏品是語言。到目前為止,他已經學會了30多種外語,而且他還不打算就此收手。

我們在倫敦一家飯館裡吃飯的時候,他在葡萄牙語、土耳其語和冰島語之間跳來跳去,說起來就好像我念出餐牌上的披薩和意大利麵名字一樣容易。他在鹿特丹街頭學了德語,在布拉格學了捷克語,在和幾位建築師合租房子的時候學了波蘭語。而他在家裡又跟妻子說一口流利的馬其頓話。

西姆考特掌握的語言數量多、差異大,但他身上最引人矚目的,還是他的年齡。遠在我們白髮出現、腰圍漸粗之前,大腦的認知能力就應當開始退化,讓我們很難再學習新技能,比如說外語、長笛或射箭。儘管西姆考特在上學時就萌生了學外語的念頭,但隨著年齡的增長,他的學習能力理應也會下降。但直到目前為止, 他仍然能夠以很高的頻率,貪婪地吸收著生疏的語法和奇怪的詞彙。「我的『語言景觀』(linguistic landscape)一直在不停變化。」他說,「青春年少也好,已屆中年也罷,我並不覺得人的學習能力會有多大差異。」

成年人也能擁有足以與兒童媲美的學習能力?要是放在十年之前,很可能只有極少數神經科學家會支持西姆考特的這番話。但是我們不必過早垂頭喪氣。我們 大腦的潛能其實遠超任何人的想像。紐約大學的心理學家加里•馬庫斯(Gary Marcus)說:「人們太過強調童年『關鍵期』的學習能力了。」但是,現在我們已經知道了提升成年人學習效率的最佳策略,可能也多少瞭解了西姆考特這類 「學習超人」的學習訣竅。總之,無論你想學什麼,現在開始,都不算晚。

「關鍵期」真的存在嗎?

傳統觀念認為,大腦會隨著年齡增長而鈍化,變得越來越不能接受新事物——正如英語裡一條諺語說的:「老狗學不會新把戲」(an old dog will learn no tricks)。這條諺語最早出現在一本18世紀的諺語集裡。而早在那以前,它就可能有數百年的歷史了。

上世紀60年代,研究者終於開始研究成年人大腦的可塑性,當時他們的發現似乎印證了那條諺語的說法。然而其中大多數發現都並非是對大腦直接觀察所得,而間接來自認知領域。一個發現是,視力會在個體年幼時達到頂峰。如果動物在初生的幾週裡視力受到限制,它們在接下來的一生裡都不能擁有正常的視力。對 於一出生就患有白內障或者弱視的人來說,也是如此。之後再想修復,已經太遲,在這一輩子裡大腦都不能正常地控制眼睛。紐約羅切斯特大學學者達芙妮•巴甫利 爾(Daphne Bavelier)說:「在很長時間裡,人們認為,『關鍵期』過後,這類限制就固定成型、不可更改了。」

當然,上面所舉的都是特例。但是證據顯示,神經鈍化也能夠制約人在其他方面的學習能力。科學家曾做過大量關於語言學習、特別是以移民家庭為對象的研究。研究發現,兒童很容易就能學會新外語,但是他們的父母說起外語來卻總是磕磕絆絆。但是,如果在外語學習上真的存在所謂「關鍵期」的話,應該無人能夠例外才對。但是西姆考特居然能學會那麼多種語言,這就應該像讓狗彈琴一樣,根本就是不可能的事啊。

多倫多約克大學學者愛倫•比亞韋斯托克(Ellen Bialystok)就懷有這樣的疑問。最近她研究了美國人口普查記錄,其中詳細記錄了超過2百萬西班牙和華裔移民的語言能力。如果在人幼年時真的存在學習第二語言的「關鍵期」的話,那麼在小時候就來到美國的人和成年之後才來的人之間,勢必存在著英語能力上的巨大差異。但真實情況又如何呢?比亞韋斯托克 說:「他們之間並沒有什麼鴻溝。」事實上她發現,移民的語言能力是隨著年齡增大而逐漸降低的。與其單單指責大腦,不如說是環境不同所致。「在跟兒童說話時,人們會使用簡單短句,會講得更慢、更清楚。」她解釋說,「而且,兒童所面對的整個社會和教育環境,都在敦促其學習語言。」

成年人也有學習優勢

比亞韋斯托克的研究顯示出成年人大腦擁有我們前所未知的可塑性,但這仍不能打消這樣的懷疑:在學習某些特定技能方面,兒童可以做得更好。比如,成年人有時會發現他們很難唱對調子、打出本壘打,或者準確模仿口音。若未經過仔細考量,我們很可能會把這類差異歸結到成年人認知和行動能力的退化上。這和單純的學習知識又有不同,因為我們需要動用眼睛、耳朵和肌肉。

馬庫斯就為此拿自己做過實驗:他在38歲開始學習吉他,這段經歷已被他詳細寫入《零起步學吉他:新的音樂家和學習的科學》(Guitar Zero: The New Musician and the Science of Learning)一書。他說:「家人在聽說我要學吉他這個事情之後,哄堂大笑。但是不久他們就發現了我的進步。」在學吉他過程中,他參加了一個面對8至 15歲兒童的音樂夏令營。他說,他能比他的「同學們」更快地掌握樂曲結構,但是那些年輕人則有更好的協調性和樂感。

還有更有價值的證據:兒童並不是真的能夠學得更好。明尼蘇達大學學者張揚(Yang Zhang。音譯)做過一個關於成人學習陌生口音的研究。研究顯示,成年人的學習效果較差,可能只是因為投入不夠。研究者讓成年人聽模仿母親「咕咕兒語」 (baby talk)的錄音帶,發現被試的學習進展神速。

在學習音樂和運動所需的複雜運動方面,成年人也不一定處於劣勢。加拿大康科迪亞大學(Concordia University)學者維吉尼亞•本胡恩(Virginia Penhune)找來一批實驗者,讓他們以固定次序、固定次數重複按鍵——這其實是在模仿彈琴訓練。在這個實驗裡,成年被試的表現甚至優於年輕被試。

還有另一個更高難度的、需要手眼協調性的實驗,有將近1000名各年齡段志願者參與。被試通過6個階段訓練,學習變戲法。正如你可能設想的那 樣,60-80年齡組的被試開始時有些遲鈍。但是他們很快就追上了30年齡組的被試。而在全部訓練結束之後,所有成年組的被試在變戲法時都比5-10年齡 組更有自信。

是什麼妨礙了成人學習?

這麼來看,「老狗」的可塑性可比諺語裡說的要大得多。就算我們真的遭遇學習障礙,它也並非不可踰越。兒童看似學東西更好更快,其原因很可能在於他們所處的環境,以及身體健康狀況(請見後文「好的身體帶來好的頭腦」)。

事實上很多研究者相信,成年人的生活方式才是他們學習的最大阻礙。「對於嬰兒來說,他們的任務只是學習說話,以及爬來爬去。」贏得過多次記憶競賽的 認知科學家艾德•庫克(Ed Cooke)如是說,「如果成年人也有相同的時間專心學習,他們也能學得很好。」(關於庫克的更多介紹請繼續閱讀《學會一門語言需要幾個小時?》)

然而我們大多數人並沒有太多閒暇時間可以心無旁騖地學習。儘管如此,我們也能借鑑一些刺激兒童學習的方法,將之加到我們的日常計劃裡。比方說,老師 在指導兒童學習時總是問他們問題,以鞏固所學。這個方法非常有道理,因為已經有無數研究證明,測試能增強長期記憶,其效果要大大優於其他教學方法。但是對 於想學新東西的成年人來說,他們往往只能進行自我檢測——說實話,這可不常見。

有鑑於此,庫克建立了一個名為Memrise的網站,幫助成年人規劃自我測試,而且最重要的是,將測試納入他們的時間表。Memrise網站會記錄你的「學習曲線」,在你馬上要忘掉某個知識點的時候,彈出測試題來,讓你能夠重溫記憶。

庫克說:「Memrise會在最大程度上拓展你的大腦潛能。」他自己就已經利用這個網站學會了數千個外文詞彙。在這裡,用戶可以自行建立課程,題目 五花八門,從藝術到動物學,幾乎無所不包。尤其重要的是,你如果有幾分鐘的空閒時間(比如午休或者等車的時候),就能輕鬆登錄網站,開始學習。而且,庫克 還打算要開發一款智能手機應用程序,使學習更加快捷方便。

但是,還有些學習任務要求認知能力或運動技能,比如告別音痴,或者打出一桿完美的高爾夫。要怎麼達成這類學習任務呢?科學家也同樣為我們提供了指導建議,幫助我們重新找回年輕時代那種什麼都一學就會的感覺。

一個觀點是,成年人往往囿於自己對完美的過分追求。兒童會急於完成任務,但是成年人卻常常為每一步費盡心思,試圖與要求的做到一模一樣——這可能就 是我們面對的最大困難之一。「成年人在做事的時候想得太多,」拉斯維加斯內華達大學的學者加布里埃萊•沃爾夫(Gabriele Wulf)如是說,「兒童卻是看到什麼就照做不誤。」

沃爾夫過去十年的研究證明,我們應當把重點放在行為的效果,而不是複雜的動作步驟上。她將這個理論運用到了自己的生活中:她本人是一個出色的高爾夫 球手,她發現,與不斷注意雙手的位置相比,想著揮杆的感覺的話,就能打出更好的成績。她說:「我在揮杆時,一直在找最佳關注點。」同理,要學唱歌,你就應 該把注意力放到音效上,而不是舌頭的位置或者喉嚨。很多研究證明,只要你稍稍改變關注點,學習效率就能得到提高——其中原因可能在於,如果你將關注點放到 動作的整體感覺而不是細節上,可以讓你的動作在下意識裡變得更純熟。

關注點如果放錯了地方,會導致人們過分追求細節,從而阻礙了整體的學習。成年人不畏艱難、孜孜不倦、追求卓越,但這似乎並不總能帶來優勢。大多數人 喜歡將任務分成小步驟去完成。以學籃球為例,成年人在投每個球時都分外講究,這也許是因為他們有投好每個球的渴望。在開始的時候,這個方法或許能顯著提高 球技,但是大量研究發現,這樣獲得的技能很快就會被忘到腦後。

與之相反,你可以採用「回轉傳送帶」法,反覆訓練多個技能,而不是在其中一個上下死功夫。來回練習多項技能,似乎能讓你的大腦在學以致用上做得更好,並讓你保有長期的記憶,雖然其中原因還不清楚。這個方法已經幫助人們在網球、皮划艇和手槍射擊上取得了更好的成績。

但也許很多人不喜歡這麼做。你可能會覺得,如果不走踏實每一步,怎麼可能會有進步?但就算你還要堅持原來的學習策略,你仍然可以通過不時地在陌生環 境中訓練,來獲得提升。比如在打網球時,與其一直守著一個位置,你可以換到別的位置打幾回合;又比如在彈音階時,你可以偶爾換換手。德國多特蒙德萊布尼茨 研究中心(the Leibniz Research Centre)的學者阿爾諾•柏廷(Arnaud Boutin)曾經做過一個關於工作環境和人為因素的研究。這個研究證明,偶爾離開自己熟悉的區域,而不是將全部精神陷入手頭唯一工作,可以幫助你提升整 體表現。柏廷說:「執迷於一件事情越久,你就越難將學得的技能應用到其他方面。」

如果上面這些方法都對你無效,你還可以嘗試讓自己變得更大膽。 沃爾夫說:「我們在成長過程中會逐漸失去自信,而自信與否會對我們的表現產生很大影響。」最近她找來一小群人,做了一個投球實驗來驗證這個理論。她讓其中 一半被試參加了一個偽測試,讓他們以為自己的投球能力勝於常人;而另一半被試就沒這麼「幸運」了。實驗結果是,自信心大增的前一組人,在訓練之後投球的精 準度要遠遠高於另一組人。

但你的學習熱情能不能比得上西蒙考特對外語的摯愛呢?那就是另一個問題了。西蒙考特說:「我的外語學習,就好像是極限運動。你並不用像我這麼誇張。」最近他又把熱情投向中文,且還不打算收手。 「我就像個語言浪子,總在尋找下一個情人。」

但是來試著接受這個觀點吧:其實你的大腦和西蒙考特的沒什麼不同。一旦愛上極限學習,小心收不住!

好的身體帶來好的頭腦

就算年紀老大,也能擁有敏捷的頭腦。其中訣竅,或許就是去公園散個步這麼簡單。

過去幾年的研究已經清楚地證明,差體質(比如肥胖或者罹患心血管疾病)對我們大腦的危害,就和它對於我們個人魅力的危害一樣巨大。它會削弱長距離神經元之間的聯繫,導致海馬體的萎縮——而海馬體在學習和記憶方面是至關重要的。因此,隨著我們年齡的增長而變糟的健康狀況,也會對影響我們的大腦,降低我們的學習能力。所以人們才會說:「老狗學不會新戲法。」

值得慶幸的是,這些變化其實是可逆的——這是阿瑟•克雷諾(Arthur Kramer)的觀點,他在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校進行關於老年人的研究。他的研究項目一般要求被試進行少量鍛鍊,比如每週至少有三天要散步40分 鐘,如此堅持一年。他說:「我並不是說,他們能贏得跑步比賽什麼的,但在堅持一年之後,他們確實能走得更遠更快。」

在對比訓練前後的大腦掃瞄圖時,他發現被試的海馬體變大了——可能是因為長出了新的腦細胞,或者神經元間的突觸連接增多了。而且,大腦中很多長距離神經聯繫恢復了往昔的活力。他說:「這些老年人的神經網就和30歲的人一樣有活力。」一般認知能力也得到顯著提升。這其中就包括了注意力的增強,而注意力又對學習很有幫助。

 

資料來源:Old schooled: You never stop learning like a child. NeuroscienceStuff Blog [May 26, 2013]

轉載自果殼網「學習之道」主題站

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人造腦挑戰 AI!培養皿中的腦組織+腦機介面能打敗電腦嗎?
PanSci_96
・2023/05/27 ・3178字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2023 年 2 月底, 約翰霍普金斯大學教授 Thomas Hartung 帶領研究團隊,發表了「類器官智慧」(Organoid intelligence , OI)的研究成果,希望利用腦類器官加上腦機介面,打造全新的生物計算技術。

我們終於要製造人工大腦了嗎?OI 和 AI,誰會成為未來主宰?

類器官智慧 OI 是什麼?目標為何?

2023 年的現在,AI 就已展現了不少驚人的實際成果;相較之下, OI 仍只是一個剛起步的計畫,甚至連名稱都與 2018 年美國《自然—物理學》期刊專欄作家、物理學家布坎南以 Organoids of intelligence 作為標題的文章幾乎一樣。

類器官智慧、Organoid intelligence、OI 是個很新的跨領域名詞,同時結合了「腦類器官」和「腦機介面」兩個領域的技術。

簡單來說,腦類器官就是指透過培養或誘導多能幹細胞(iPSCs),在模擬體內環境的旋轉生物反應器中,產生的腦組織。這項聽起來好像只會出現在科幻電影裡的技術,確實已經存在。

最早的腦類器官是在 2007 年,日本 RIKEN 腦研究所的笹井芳樹和渡辺毅一的研究團隊,成功從人類胚胎幹細胞培養出前腦組織。第一個具有不同腦區的 3D 腦類器官則是發表在 2013 年的《Nature》期刊,由奧地利分子技術研究所的尤爾根.科布利希和瑪德琳.蘭開斯特研究團隊成功建立。

腦類器官的出現,在生物與醫學研究中有重大意義,這代表未來科學家們若需要進行大腦相關的研究,再也不用犧牲實驗動物或解剖大體老師來取得人類大腦,只需要在培養皿就製造出我們要的大腦即可。

儘管培養皿上的組織確實是大腦組織,但不論是在大小、功能,以及解剖構造上,至今的結果仍遠遠不及我們自然發育形成的大腦。因此要達到 OI 所需要的「智慧水準」,我們必須擴大現有的腦類器官,讓他成為一個更複雜、更耐久的 3D 結構。

要達到 OI 所需的「智慧水準」,必須擴大現有的腦類器官,成為一個更複雜的 3D 結構。圖/GIPHY

而這個大腦也必須含有與學習有關的細胞和基因,並讓這些細胞和 AI 以及機器學習系統相連接。透過新的模型、演算法以及腦機介面技術,最終我們將能了解腦類器官是如何學習、計算、處理,以及儲存。

OI 是 AI 的一種嗎?

OI 能不能算是 AI 的一種呢?可說是,也不是。

AI 的 A 指的是 Artificial,原則上只要是人為製造的智慧,都可以稱為 AI。OI 是透過人為培養的生物神經細胞所產生的智慧,所以可以說 OI 算是 AI 的一種。

但有一派的人不這麼認為。由於目前 AI 的開發都是透過數位電腦,因此普遍將 AI 看做數位電腦產生的智慧—— AI 和 OI 就好比數位對上生物,電腦對上人腦。

OI 有機會取代 AI ?它的優勢是什麼?

至於為何電腦運算的準確度和運算速度遠遠高於人腦,最主要原因是電腦的設計具有目的性,就是要做快速且準確的線性運算。反之,大腦神經迴路是網狀、活的連結。

人類本身的基因組成以及每天接收的環境刺激,不斷地改變著大腦,每一分每一秒,我們的神經迴路都和之前的狀態不一樣,所以即使就單一的運算速度比不上電腦,但人腦卻有著更高學習的效率、可延展性和能源使用效率。在學習一個相同的新任務時,電腦甚至需要消耗比人類多 100 億倍的能量才能完成。

神經網路接受著不同刺激。圖/GIPHY

這樣看來,至少 OI 在硬體的效率與耗能上有著更高優勢,若能結合 AI 與 OI 優點,把 AI 的軟體搭載到 OI 的硬體上,打造完美的運算系統似乎不是夢想。

但是 OI 的發展已經到達哪裡,我們還離這目標多遠呢?

OI 可能面臨的阻礙及目前的發展

去年底,澳洲腦科學公司 Cortical Labs 的布雷特.卡根(Brett Kagan)帶領研究團隊,做出了會玩古早電子遊戲《乓》(Pong)的培養皿大腦—— DishBrain。這個由 80 萬個細胞組成,與熊蜂腦神經元數量相近的 DishBrain,對比於傳統的 AI 需要花超過 90 分鐘才能學會,它在短短 5 分鐘內就能掌握玩法,能量的消耗也較少。

現階段約翰霍普金斯動物替代中心等機構,其實只能生產出直徑大小約 500 微米,也就是大約一粒鹽巴大小的尺寸的腦類器官。當然,這樣的大小就含有約 10 萬個細胞數目,已經非常驚人。雖然有其他研究團隊已能透過超過 1 年的培養時間做出直徑 3~5 毫米的腦類器官,但離目標細胞數目 1000 萬的腦類器官還有一段距離。

為了實現 OI 的目標,培養更大的 3D 腦類器官是首要任務。

OI 的改良及多方整合

腦類器官畢竟還是個生物組織,卻不像生物大腦有著血管系統,能進行氧氣、養分、生長因子的灌流並移除代謝的廢物,因此還需要有更完善的微流體灌流系統來支持腦類器官樣本的擴展性和長期穩定狀態。

在培養完成腦類器官以及確定能使其長期存活後,最重要的就是進行腦器官訊息輸入以及反應輸出的數據分析,如此我們才能得知腦類器官如何進行生物計算。

受到腦波圖(EEG)紀錄的啟發,研究團隊將研發專屬腦類器官的 3D 微電極陣列(MEA),如此能以類似頭戴腦波電極帽的方式,把整個腦類器官用具彈性且柔軟的外殼包覆,並用高解析度和高信噪比的方式進行大規模表面刺激與紀錄。

研究團隊受腦波圖(EEG)紀錄的啟發。圖/Envato Elements

若想要進一步更透徹地分析腦類器官的訊號,表面紀錄是遠遠不夠的。因此,傷害最小化的的侵入式紀錄來獲取更高解析度的電生理訊號是非常重要的。研究團隊將使用專門為活體實驗動物使用的矽探針Neuropixels,進一步改良成類腦器官專用且能靈活使用的裝置。

正所謂取長補短,欲成就 OI,AI 的使用和貢獻一點也不可少。

下一步,團隊會將進行腦機介面,在這邊植入的腦則不再是人類大腦,而是腦類器官。透過 AI 以及機器學習來找到腦類器官是如何形成學習記憶,產生智慧。過程中由於數據資料將會非常的龐大,大數據的分析也是無可避免。

隨著 AI 快速發展的趨勢,OI 的網路聲量提升不少,或許將有機會獲得更多的關注與研究補助經費,加速研究進度。更有趣的是,不僅有一批人希望讓 AI 更像人腦,也有另一批人想要讓 OI 更像電腦。

生物、機械與 AI 的界線似乎會變得越來越模糊。

OI=創造「生命」?

生物、機械與 AI 的界線越來越模糊。圖/Envato Elements

講到這裡,不免讓人擔心,若有一天 OI 真的產生智慧,我們是否就等於憑空創造出了某種「生命」?這勢必將引發複雜的道德倫理問題。

雖然研究團隊也強調, OI 的目標並不是重新創造人類的意識,而是研究與學習、認知和計算相關的功能,但「意識究竟是什麼」,這個哲學思辨至今都還未有結論。

到底懂得「學習」、「計算」的有機體能算是有意識嗎?如果將視覺腦機介面裝在 OI 上,它是否會發現自己是受困於培養皿上,被科學家們宰割的生物計算機?

不過這些問題不僅僅是 OI 該擔心的問題,隨著人工智慧的發展,GPT、Bing 和其他由矽構成的金屬智慧,隨著通過一個又一個智力、能力測試,也終將面臨相應的哲學與倫理問題。

最後,Neuralink 的執行長馬斯克說過(對,又是他 XD),人類要不被 AI 拋下,或許就得靠生物晶片、生物技術來強化自己。面對現在人工智慧、機械改造、生物晶片各種選擇擺在眼前,未來你想以什麼樣的型態生活呢?

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我不期待每天快樂,我只是想要好好生活——《與你相鬱的日子》
商鼎數位出版
・2023/05/19 ・1368字 ・閱讀時間約 2 分鐘

憂鬱症是什麼?

憂鬱症不是一個人不知足、懶惰,或是悲觀。它是個確確實實存在的疾病。雖然光從一個人外表無法看到,但是觀察腦部的話,可以發現腦結構、區域活動力、腦部神經傳導素的平衡都與沒有罹患憂鬱症的腦部不一樣。憂鬱症會造成各種不一樣的症狀,深深地影響日常生活品質。

它屬於一種情感性疾患,亦可以稱為情緒障礙。患者會感到心情持續低落,對原本感興趣的事情失去興趣,即使有好事情發生,心情也可能好不起來,也會被各種負面的想法侵襲,像是自責、貶低自己,讓一個人感受到罪惡、羞恥、沒有價值、沒有希望,甚至會萌生想死的念頭。

它會讓一個人記憶力變差,注意力變得比較不集中,感覺沒有精神,總是很累。憂鬱症也會害一個人睡眠與飲食失調,可能睡太多或太少或難以入眠,白天嗜睡,或是吃太多或太少,都有可能。除此之外,也可能會感到昏沉、頭痛等身體不適。

憂鬱症是真正的疾病。圖/與你相鬱的日子

但是每個人都會有情緒起伏啊!

「憂鬱症」與「悲傷」的差別

如前面所提,憂鬱症屬於一種情緒障礙。每個人都會有情緒起伏,但情緒病的情緒極端超越正常範圍,使它們難以控制。情緒病常常被汙名化,其中一個原因可能是因為情緒管理是衡量一個人有沒有成熟的一個標準,但是考慮到每個人的情緒起伏趨勢都不一樣,面臨到的調適難度也不一樣,應當要更加同理而不是斥責那些因為受情緒病而受苦的人。

憂鬱症的情緒狀態。圖/與你相鬱的日子
憂鬱症和悲傷傷的不同。圖/與你相鬱的日子
如果你開始瞭解優鬱症。圖/與你相鬱的日子
憂鬱症的「低落」。圖/與你相鬱的日子
憂鬱症的心理狀態 (1) 。圖/與你相鬱的日子
憂鬱症的心理狀態 (2) 。圖/與你相鬱的日子
憂鬱症的心理狀態 (3) 。圖/與你相鬱的日子

憂鬱症可能長這樣。圖/與你相鬱的日子
憂鬱症的不同樣貌。圖/與你相鬱的日子

——本文摘自《與你相鬱的日子:給患者與陪伴者的憂鬱症基礎指南》,2023 年 3 月,商鼎出版,未經同意請勿轉載。

商鼎數位出版
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一「拍」即合!大腦與拍子的二三事
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/05/17 ・3030字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
  • 文/王姿雅 雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員 

拍子 = 大腦要的規律感 

你是否曾見過鼓手一邊帥氣地揮舞鼓棒,一邊數「One & Two & Three & Four」,或看到音樂老師對正在演奏的學生大喊「數出來!」?為什麼演奏和數字有關?他們是怎麼數的?今天,​就讓我們來認識這位讓台上演奏者和台下觀眾得以「同步」對樂曲產生共鳴的功臣:拍子[1]! 

先讓我們想像兩種情況:第一,空白紙上有一排糖果;第二,在這排糖果中,每四顆就畫一條線。猜猜看,哪種情況讓人更容易算出總糖果數?毫無疑問,後者容易許多,因為線條把糖果按照固定的數量劃分。藉著找出線條的規則,不只可以快速算出總糖果數,還可以利用線條定位糖果的位置。

拍子就像劃分糖果的線條,它們把曲子切割成固定的單位。例如四拍子,指的是一個小節被切割成四個拍子。切割的單位數不同,就會帶給聽者不同的感受。 拍子除了讓大腦在音樂中找到時間性的規律,還對「下個拍子會在什麼時候出現?」產生預期。那麼,大腦怎麼預測拍子呢?只要用耳朵聽就會了嗎?這可不是件容易的事,就讓我們繼續看下去。 

拍子將樂曲切割成數個單位。一個單位即為一拍。
切割的單位數不同,一個小節的拍數就不同,聽者感受到的節奏也不一樣。圖/Freepik

腦內的尋「拍」高手——聽覺區和動作計畫區 

拍子是一種規律的時間性刻度,而我們對拍子的感知由預測而來。這意味著在拍子出現之前,大腦就已經料到它會出現在那。當音樂經過外耳、中耳、內耳,而後轉換成神經訊號被送進大腦,腦內的聽覺區和動作計畫區會進行交互作用,進而產生對拍子的預期[2]。你可能納悶,數拍子和動作計畫區有什麼關係?或許我們未曾留意,但,動作計畫區其實是腦內預測拍子的大師! 

日常生活中,我們有許多動作是有節奏的,像是走路時的腳步間隔,或游泳時划水的頻率。這些由運動區域控制的動作,都以數百毫秒的週期進行運動。碰巧,拍子的間隔往往也在數百毫秒的範圍內。因此,音樂被轉換成神經訊號傳入大腦後,為了尋找時間性的規律,我們的動作計畫區會被「徵召」。這時,神奇的事發生了!動作計畫區可以在我們沒有實際行動的狀況下,藉由「模擬週期性的身體動作」讓神經訊號跟拍子對應,接著,再將對應完成的神經訊號傳回聽覺區,以幫助聽覺區預測下一拍到來的​​時機[2]。 

拍子的引路人!跟著低音動滋動

「原來數拍子這麼難!那交給學音樂的人就好啦。」別急,不只音樂家需要拍子,事實上,如果你曾情不自禁地跟著音樂「動起來」,那麼你已經嘗過拍子帶來的甜美滋味!讓我們召喚一下美好的音樂記憶,回想那首總是讓你不禁隨之搖擺的歌曲。在這首曲子中,你通常跟著哪種樂器的演奏擺動身體?也許是貝斯,或大鼓、吉他。這些樂器通常為曲子提供穩定的拍子,而大家可能已經發現他們的共同點。沒錯,他們多屬低音樂器。

在音樂中,低音樂器常被用來傳遞拍子,中高音樂器則負責傳遞旋律[3]。這種分工不只聽來理所當然,也有科學根據。 Lenc 等人(2018)從實驗發現,腦內用來​預測拍子區域對低頻音調比較敏感。他們請受試者跟著不同頻率的音樂拍子進行敲擊,並記錄腦電波反應。結果顯示,相對於 1236.8 赫茲的音調,當拍子透過 130 赫茲的音調傳遞時,更多與時間特性相關的神經反應被激發。因此,如果我們去留意音樂的時間特性,像是試圖對到拍,或注意播放的長度,音樂裡的低音會促使大腦更大程度地動員動作計畫區進行協助,甚至可能因此增加身體律動的幅度喔[3]

音樂裡的低音可能會影響身體律動的幅度。 圖/envato

聽得見也摸得著!讓人「觸動」的拍子 

前面談的,是音樂透過耳道和聽神經傳遞至大腦後,大腦如何「對到拍」。其實,雖不如聽覺準確,但觸覺有時也在感知拍子上參一腳[3]。我們先回想一下,在夜店或演唱會時,假如站得離音響很近,是不是會感覺到空氣在振動,甚至身體也跟著音樂「蹦、蹦」地振呢?如果你有,也許已經開始有點頭緒。日常狀況下,聲音的強度通常不會達到讓人「透過空氣就感受到振動」的程度,然而透過皮膚的振動,我們確實能感知部分的音樂特性[4]

讓我舉一個神奇的例子說明。前面提過,動作計畫區對低音傳遞的拍子更有反應,於​是就有研究者思考:「有沒有可能,頻率低到人耳難以聽見的聲音,也有這種讓人『搖』起來的魔力?!」。他們將 8-37 赫茲的聲波加入夜店音樂中,然後測量人們的頭部動作。實驗結果指出,我們的皮膚會感知到聲波帶來的振動,進而透過觸覺和運動系統的緊密連結,提升身體的律動[5]。觸覺對音樂的感知當然沒有聽覺精準,但若仔細感受音樂在物體上造成的振動,我們有機會透過觸覺感知到音樂的強度變化與拍子[6]。需要時,大腦也會整合兩方的線索,產生對拍子更準確的預測[7] 。

我們的皮膚會感知到聲波帶來的振動,需要時大腦會整合觸覺與聽覺的訊息,幫助我們更準確地對到拍子。 圖/envato

拍子不穩怎麼辦?換身體主動出擊! 

現在你們知道,對拍子的感知不只用到聽覺,有時觸覺也會派上用場。但,還有一件事我沒告訴你:我們並非只能「靜靜地」等大腦對到拍,事實上,想要捕捉拍子時,刻意讓一部分的身體「動起來」也能幫上忙!我們的身體動作會自發地和外在刺激的節奏對齊[7],而且,相比於像根槁木動也不動,​涉及前庭覺的頭部運動,例如:點頭,更可以提升感知拍子的精準度[8]。此外,研究者也透過觀察鼓手的動作和腦電波發現,演奏時的手指動作會引發​觸覺刺激,頭部動作會引發前庭覺回饋,而這兩種刺激都會反過來加強鼓手對拍子的感知[9]

這意味著,當音樂中的拍子讓人難以捉摸,我們可以藉由有意識地移動身體「主動出擊」,讓身體感覺幫助我們穩固對拍子的感知!就像音樂老師常要求學生手跟著敲,腳跟著踩,甚至是頭跟著點一樣。所以下次,當你一下找不到拍子,可以試著跟隨曲子自然地晃動頭或手,相信藉由身體的規律運動和動作引發的感覺刺激,很快就能幫助大腦找到音樂的拍子呢[9]! 

參考資料

  1. 菌(2019年,10月14日)。教你好好數拍子,《1234 跟上大家的節奏》。樂手巢。https://ysolife.com/rhythmkan-1234/
  2. Patel, A. D., & Iversen, J. R. (2014). The evolutionary neuroscience of musical beat perception: the Action Simulation for Auditory Prediction (ASAP) hypothesis. Frontiers in systems neuroscience, 8, 57. https://doi.org/10.3389/fnsys.2014.00057
  3. Lenc, T., Keller, P. E., Varlet, M., & Nozaradan, S. (2018). Neural tracking of the musical beat is enhanced by low-frequency sounds. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(32), 8221-8226. https://doi.org/10.1073/pnas.1801421115
  4. Larson, J. (2015, December 29). Bass: the Physical Sensation of Sound. Audioholics. https://www.audioholics.com/authors/james-larson
  5. Cameron, D. J., Dotov, D., Flaten, E., Bosnyak, D., Hove, M. J., & Trainor, L. J. (2022). Undetectable very-low frequency sound increases dancing at a live concert. Current Biology, 32(21), R1222-R1223. https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.09.035
  6. Renken, E. (2022 July 20). How the Brain Allows the Deaf to Experience Music. NAUTILUS. https://nautil.us/how-the-brain-allows-the-deaf-to-feel-music-238516/#new_tab
  7. 7.  潘祿、錢秀瑩(2015)。不同感覺通道的節奏感知及其交互作用。心理科學進展,23(11),1910-1919。
  8. Phillips-Silver, J., & Trainor, L. J. (2008). Vestibular influence on auditory metrical interpretation. Brain and cognition, 67(1), 94-102.
  9. 王俐晴(2010)。身體隨著音樂而律動:動作型態與生理訊號測量研究[未出版之碩士論文]。國立臺灣大學音樂學研究所。
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。