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你怎麼看到幻覺的形狀?!

Jacky Hsieh
・2013/10/03 ・1312字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

LOGOs

上圖左側的這個logo是1984年洛杉磯奧運的標誌,裡頭包含一個紅色、白色和藍色的星形,不過其實白色的星形並不存在。同樣的道理,像是右上方的USA Network的「S」或是右下方的家樂福商標裡的「C」都是不存在的,但是我們也都「看到」了。其實這是因為當大腦看到零碎的部分畫面,通常會自動把他組成一個完整的形狀與畫面。這也是我們在魔術表演時,看到「斷頭」的畫面時格外驚奇(如下圖),就是因為你真實所見到的畫面,與你大腦自動組成的畫面大相逕庭。

headOnStage
美國范德彼爾大學(Vanderbilt University)心理系助理教授Alexander Maier所帶領的研究團隊便想對此問題深入了解,究竟哪個腦區負責這樣的幻覺輪廓(illusory contours)?他們的研究發現,視覺皮質中的V4在我們看到不存在的幻覺輪廓時會大量活化。這個研究發表在《PNAS》上。

過去有諸多研究指出,有許多種類的生物,包括猴子、貓、貓頭鷹、金魚,甚至蜜蜂都可以看到這樣的幻覺輪廓。因此,科學家便認為會看到幻覺輪廓,是因為大腦要盯著樹叢後的掠食者或獵物,這可是一種生存關鍵能力!

雖然科學家一世紀之前就已經了發現幻覺輪廓,但在近三十年才有更深入的研究,揭露了大腦內部究竟是如何解譯這些感覺的神經機制。

在哺乳類動物中,視覺刺激從眼睛輸入後會先傳到枕葉的視覺皮質,目前視覺皮質中已經主要區分出五個區域,從V1到V5。

V1是主要視覺區,接收眼睛傳輸過來的刺激,並根據刺激的主要屬性分類,包含方向、顏色、空間位置…等等,並把這些資訊傳往不同的兩條途徑,分別是往背側的dorsal pathway,又稱為「何處」路徑(Where pathway),與腹側的ventral pathway,也稱為「什麼」路徑(What pathway)。

「何處」路徑從V1通過V2、V3往V5(或稱middle temporal),顧名思義,這條途徑主要辨識物體的位置;而「什麼」路徑V1通過V2往V4,則主要辨識這是什麼物體。

過去實驗結果顯示,V4主要參與了物體辨識與視覺注意力,所以這個研究主要想探討,當我們看到幻覺形狀時,是不是與V4有關。

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首先,研究者先定位出恆河猴的視網膜與V4上對應的位置,接著讓恆河猴盯著Kanizsa正方形看,並觀察V4的活化情形。Kanizsa正方形由四個3/4圓組成(上圖左),而正方形就是我們看到的幻覺影像。研究者發現,當恆河猴盯著Kanizsa正方形看時,中間的方形幻覺區域對應到V4的區域明顯的活化了(下圖上);但如果將這四個3/4圓缺口朝外放時(上圖右),我們看中間的方形幻覺消失,而恆河猴對應到V4的區域則沒有活化(下圖下)。

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Maier說:「基本上,大腦扮演是一個偵查者的角色,他對環境中的刺激做反應,並做將這些刺激做組合與最佳的臆測。然而這些幻覺,就是大腦做出了錯誤結論的情況。」

研究原文:Receptive field focus of visual area V4 neurons determines responses to illusory surfaces–PNAS [2013-9-30]

資料來源:Finding the place where the brain creates illusory shapes and surfaces–Vanderbilt University [2013-9-30]

圖片來源:各商標取自網路、「斷頭」魔術照片採創用CC授權引用自作者為 Darling Wang來自科學玩具柑仔店(Darling の 優)部落格、Kanizsa正方形由作者繪製、V4神經元活化圖取自資料來源Vanderbilt University網站

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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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寵物過敏原有很多種,避免飲食過敏困擾,可選擇單一/特殊肉種寵物飼料
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/06 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 新萃 Nutri Source 委託,泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢,或是身上出現不明紅疹?當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣,也會有過敏反應,過敏可依照「來源」分為三種:吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

寵物的過敏源有哪些?

不管是哪一種過敏反應,在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理,如果是接觸性或吸入性過敏,即使你把家裡打掃得很乾淨,還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此,對飼主來說,最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢?其實,「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」(Adverse Food Reaction, 簡稱AFR)(Jackson, H. , 2009),指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏(Food Allergy)和食物不耐受(Food Intolerances)兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》,你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應,因此全名為「過分敏感」;而食物不耐受則並非免疫性反應,而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒,例如狗不能吃洋蔥或巧克力,否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權,只能吃飼主提供的食物,如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分,就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外,最明顯的外在症狀就是皮膚問題,包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病,讓許多飼主狂跑獸醫院的同時,獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏(Ermel, R et al.,1997),但最新的研究卻發現,無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源(Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019),甚至會造成偽陽性誤判。因此,目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」(Food Elimination Method)。

以食物排除法,找出毛孩的食物過敏原!

食物排除法的原理相當簡單粗暴,類似我們過去在學校做的實驗一樣,抓出「控制組與對照組」。首先,將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質;同時嚴格限制牠對其他食物接觸,包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意,此為「對照組」,如此持續 8~12 週,觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善,那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」,在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原(例如常見的牛肉、雞蛋等),有如「控制組」,等到症狀又出現,就可以確認哪種食物成分是過敏原,未來就可以在飼料中排除,讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄,不僅要在漫長的試驗期,更需要在控制期一一排除所有不可能之後,才能找到答案。而其中最困難的部分,也是實驗的基礎可能是第一步:「提供狗狗牠從未吃過,且肉品單一的蛋白質」,這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務,因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了,搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

飼料成分多而雜,可選單一肉種飼料降低過敏。

那該怎麼進行食物排除法呢?別擔心,沒有找不到的肉品,只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料,新萃推出了一系列低敏肉,包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類,是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外,新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素,能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃,有消化不良症的狗狗也適用。

新萃商品選擇的是單一/特殊肉種的成分,低敏感肉品讓寵物吃了更安心。

參考資料

  1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
  2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
  3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
  4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
  5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
  6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
  7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
  8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服,為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用?
  9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善?小心食物過敏! – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
  10. 寵物知識+/毛孩對什麼食物過敏?獸醫:驗血完全不準!診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
  11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News
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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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精神個案系列:外遇私刑,幻肢勃起
胡中行_96
・2023/05/22 ・1607字 ・閱讀時間約 3 分鐘

他外遇,便被老婆私刑去勢。先送蘇托莫醫師綜合醫院(Dr. Soetomo General Hospital)急診室,經歷二次泌尿科手術,並數度造訪精神科門診,療程可謂一波多折。根據個案報告作者耐人尋味的描述,這名 35 歲的印尼男子沒有報案,夫妻也未對簿公堂,「所以感情堪稱和睦」。且不論該說法是否合理,因為此處罪證確鑿,兇嫌坦承犯案,又無法律訴訟,[1]實說用不上鑑識科學。因此,本故事歸類在精神個案系列,關懷男子受創的心靈。(延伸閱讀:〈鑑識故事系列:命根子沒了?!狗咬或自宮?〉)

印尼蘇托莫醫師綜合醫院。圖/Unknown author on Wikimedia Commons(GFDL 1.2)

幻肢勃起

正常狀況下,腦部能透過神經系統,感受陰莖的狀態。[2]現在接收感官訊號的要道斷了,必須及時搶修。泌尿科事先告知男子,倘若陰莖重接術(penile reimplantation)失敗或感染,裝回去的部份得再切掉。復原期間,正養精蓄銳的腦部特定皮質迴路,不曉得受到何方刺激,竟迎來天大的驚喜:術後 2 天,男子立刻「察覺」勃起功能滿血回歸,對結果萬分滿意。無功不受祿的泌尿科醫師,深知就是華陀再世,亦無此神力,不禁懷疑男子經歷了幻肢勃起(phantom erection),[1]這種觸幻覺(tactile hallucination)。[3]隔日,便將他轉診。[1]

過去美國也曾有類似病例:一個男人在 44 歲移除陰莖。64 歲時告訴醫師,自己 20 年來一直有逼真的幻肢勃起。逝去的器官平常缺乏存在感,但若有漂亮女孩路過,便活躍到他得親眼確認是不是誤會了什麼。不過,醫師似乎未採取任何行動。[3]

調適障礙症

精神科初診時,印尼男子抱怨陰莖疼痛,心情略受影響。除此之外,他的口語、思路,以及認知人、時、地的定向力等都正常,而且當下沒有幻覺。然而 3 天後,他開始煩惱手術是否失敗。精神科醫師認為男子得了伴隨焦慮與憂鬱情緒的調適障礙症(adjustment disorder with mixed anxiety & depressed mood),並提出下列建議:[1]

  • 婚姻諮商:這是一種協助改善伴侶關係的心理治療,著重於兩人之間的性愛、溝通、問題處理與衝突平息等。對此個案來說,還要面對下體受創所帶來的衝擊等挑戰。[1]
  • 支持性心理治療:幫助病患及配偶調適手術造成的心理影響。[1]
  • 家庭心理教育:使病患和伴侶瞭解診斷,以及相應的治療選項和調適方法。[1]
  • 放鬆技巧:教導病患如何放鬆,並調節自己的情緒。[1]
  • 精神藥物學:每天早晨口服抗憂鬱劑fluoxetine。[1]

幻肢疼痛

過沒幾天,精神尚不穩定的男子,因組織壞死(照片),同意接受陰莖切除術(penectomy)。命根子沒了,他卻依然「感覺」到那裡的痛楚,甚至以為是縫線脫落所致。這種幻肢疼痛(phantom limb pain),通常發生在截肢手術後的頭幾日。[1]殘肢的神經過度亢奮,並長出神經瘤(neuromas);脊髓在中央敏感化(central sensitisation)的過程中,增加神經活動,擴大感受範圍,變得異常敏感;腦部則進行皮質重組(cortical reorganisation),讓對應斷肢原處的皮質,改為負責鄰近部位,於是殘肢的痛覺可能轉移到不復存在的斷肢,也就是幻肢上。[4]

精神科回診時,男子心情奇差,只想盡快痊癒復工。醫師見他病況惡化,就更強調持續治療的重要性;並透過婚姻諮商,協助他們夫妻學習彼此忍讓,重建關係。同時,處方調整為具有止痛和抗憂鬱效果的 amitriptyline;以及抗焦慮的 clobazam。一個半月後,男子在老婆的陪同下回到診間。他向精神科醫師表示,自己已經好轉,並逐漸接受現況。[1]

  

參考資料

  1. Arizona P, Yulianti E, Fithriyah I. (2023) ‘Psychiatric Approach in Phantom Erection Postpenectomy Patient’. Case Reports in Psychiatry, 4113455.
  2. Shindel AW. (MAY 2022) ‘Erectile Dysfunction’. UCSF Health, University of California San Francisco.
  3. Fisher CM. (1999) ‘Phantom Erection After Amputation of Penis. Case Description And Review of The Relevant Literature on Phantoms’. Canadian Journal of Neurological Sciences, 26(1):53-6.
  4. Hanyu-Deutmeyer AA, Cascella M, Varacallo M. (04 SEP 2022) ‘Phantom Limb Pain’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。