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電腦使用,是如何影響大腦的?

果殼網_96
・2014/06/16 ・1957字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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Credit: CC by Alatr0n@flickr
現代人類大規模的使用電腦,會對自身的認知能力和大腦帶來什麼影響呢? Credit: CC by Alatr0n@flickr

文 / 般若別信

電腦的廣泛使用,會給人類的認知能力和大腦的可塑性帶來什麼影響?隨著電腦技術的發展與普及,這個問題成為認知科學領域的一大研究重點。前不久,北京大學心理學系運動控制實驗室魏坤琳及其團隊從一個新的角度來研究了電腦使用對人認知的影響[1]。Science網站報導了魏坤琳等人的研究。

這項研究由魏坤琳團隊和伊利諾斯州西北大學芝加哥康復中心的心理學家康拉德·科丁(Konrad Kording)共同完成,研究結果發表在《現代生物學》(Current Biology)上。一項涉及點擊和移動鼠標訓練的研究,探索了人類的運動泛化能力,揭示了大腦能夠將操作鼠標的技能應用到其他手部精細活動中去。所以,不用為在網上看萌貓視頻、玩遊戲而擔心。玩電腦不全然是在浪費時間——你也在鍛煉你的精細動作能力。

我們知道電腦正在改變人們思考的方式,比如網路就改變了我們記憶的方式。但是,使用電腦這件事本身能帶來什麼改變呢?舉個例子,你很可能是透過點擊滑鼠游標看到這篇文章的,而與人類演化史中的其他活動相比,操作游標是一件很奇怪的事情:你藉由手部在水平面的細微移動,使一個完全脫離的垂直表面上​​的光點發生相應的細微移動。但日復一日的練習——電腦使用者平均每天點擊鼠標超過1000次——你已然成為了用鼠標的專家,儘管你甚至從未意識到具備這種靈巧度是多麼了不起的事。科學家們很想知道這種練習是否能影響大腦對身體其他方面的控制。

問題是怎麼找到從沒使用過電腦的人?研究者把目光移向了中國城市中廣大的農民工人群。中國龐大的人口遍布各個社會經濟階層,從精通電腦黑客精英,到一個世紀來生活方式幾乎沒變的農民。中國經濟的繁榮使人們從農村一波波湧向城市尋找就業機會。科丁和魏坤琳的研究小組招募了三種參與者:第一種是沒用過電腦的農民工;第二種是年齡和教育程度與第一種相當但在工作中使用過電腦的農民工;第三類是精通電腦的大學生,作為實驗的對照組。所有研究參與者都接受了兩週的訓練,在此期間他們必須使用游標來玩遊戲(包括每天玩兩小時經典遊戲《雅達利乓》(Pong))。研究人員在訓練前後都會先進行一系列標準運動控制測試。

《乓》是一個模擬乒乓球比賽的2D體育遊戲。圖片來源:維基百科
《乓》是一個模擬乒乓球比賽的2D體育遊戲。圖片來源:維基百科

這個實驗中最讓科丁和魏坤琳感興趣是測量的普遍性。如果你學會如何使用滑鼠游標,這項技能是否能泛化其他類似的運動任務?為了測量研究參與者執行不熟悉任務的能力,測試了參與者不涉及鼠標的運動技能,比如當手被遮住時操控手指的位置。如果使用滑鼠游標的技能並沒有泛化其他運動技能,以前沒有使用過電腦的農民工應該做得遠遠比其他兩組差。

圖A:實驗設計示意圖。圖B:其中一個被試的測試結果。被試在桌面式虛擬現實下學習手部運動和光標運動直接的映射(在實驗中,被試的手只需要移動48mm的距離,屏幕上的光標即能在相應方向上移動80mm的距離)。在習得一個方向上的映射之後,被試被要求將此映射在其它方向進行泛化。圖片來源:Wei et al.(2014)Current Biology
圖A:實驗設計示意圖。圖B:其中一個被試的測試結果。被試在桌面式虛擬現實下學習手部運動和光標運動直接的映射(在實驗中,被試的手只需要移動48mm的距離,屏幕上的光標即能在相應方向上移動80mm的距離)。在習得一個方向上的映射之後,被試被要求將此映射在其它方向進行泛化。圖片來源:Wei et al.(2014)Current Biology

訓練開始之前,已經有計算使用經驗的農民工比他們沒用過電腦的同行表現得更好。沒有使用過電腦的人發現用手進行精細的調整很困難,看不見手時尤甚。但經過短短兩週的培訓後,在操控鼠標以及將這項技能運用到其他手部精細操控方面,農民工和大學生們表現得一樣好。

「結果令人驚訝。」在威斯康辛州密爾馬凱特大學(Marquette University)研究中風患者的生物力學工程師羅伯特·沙伊特(Robert Scheidt)表示,要掌握一項新的特定運動技能,「兩週時間並不長」。他指出,在這項研究之前,以往的證據支持所謂「狹義泛化」,即個體對特定運動技能的學習,只能提高他們在與該運動近乎完全相同的任務中的表現。

魏坤琳的研究結果顯示,有電腦使用經驗的研究參與者,相較於沒用過電腦的參與者,在泛化的幅度和廣度上有顯著差異。對致力於幫助患者恢復運動能力的科學家而言,「這項研究的結果正是我們希望看到的。」沙伊特說。這項研究有助於開發電腦幫助中風患者恢復肢體控制,而對健康人來說,玩精心設計的電腦遊戲則有可能幫助他們更快地學習新的運動技能。

參考資料:
Kunlin Wei et al. Computer Use Changes Generalization of Movement Learning. Current Biology 24 , 82–85.
John Bohannon. Click Here to Improve Your Motor Skills. Science

轉載自果殼網

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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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半導體以前的半導體:從礦石收音機到電晶體——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/21 ・3430字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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從礦石收音機到電晶體

直到 1947 年末,美國發明電晶體後,人類才正式開始使用半導體。不過在這之前,人類已經在使用類似半導體的東西,礦石檢波器就是其中的代表。

日本從 1925 年開始放送廣播,最早的收音機使用的是礦石檢波器。檢波器是一種可以接收電波,並從中提取出聲音與音樂等資訊訊號的元件。使用天然存在之礦石製作出來的檢波器,就叫做礦石檢波器。

礦石檢波器。圖/東販

圖 1-1 是礦石檢波器的原理。檢波器的構造是以金屬製的針碰觸著方鉛礦這種特殊礦石(圖 1-1(a))。

電流容易從金屬針流向礦石,卻很難從礦石流向金屬針(圖 1-1(b))。這種特殊的性質稱為整流性,也是半導體的特性。

對於擁有整流性的物質來說,容易讓電流通過的方向稱為順向,不容易讓電流通過的方向則稱為逆向

換言之,順向的電阻較低,逆向的電阻較高。之後會說明理由,總之有這種特性的元件,可用於製作檢波器。而順向與逆向的電阻比值愈大,可以製成愈靈敏的礦石檢波器。

礦石檢波器的原料是天然礦石,所以品質並不固定。針的接觸位置不同時,靈敏度也不一樣。所以製作礦石檢波器時,必須試著尋找能夠使針的敏感度達到最佳的特定位置。雖然品質不穩定,但製作簡便又便宜,也不用消耗電力,所以早期的收音機常會使用礦石檢波器。

當時的收音機少年也熱中於用礦石檢波器,自己動手製作礦石收音機。以前筆者(井上)年紀還小的時候,就曾自己製作礦石收音機。調整好礦石檢波器後,就可以清楚聽到廣播電台的聲音,讓人相當興奮。為了盡可能提高接收電波時的靈敏度,我當時也下了不少工夫。

這裡就來簡單說明用檢波器,從電波中提取出資訊訊號的原理吧。

訊號的接收與提取

接收無線電波訊號。圖/東販

如圖 1-2 所示,欲以無線電波傳送聲音、音樂等頻率較低的波時,需先將其轉變成頻率較高的波才行。

這個操作稱為調變。圖中,以調變器混合資訊訊號波(同圖①)與頻率較高的載波(同圖②)後,可以得到同圖③般的波,然後再發送這種無線電波(同圖④)。

檢波器接收到這種無線電波(同圖⑤)後,由於只會讓正向的調變波通過,故可得到同圖⑥般的波。這種波含有頻率較低的訊號波與頻率較高的載波,所以需再通過低通濾波器(只讓低頻率的波通過的濾波器),抽取出訊號波(同圖⑦)。

在真空管收音機盛行起來之後,人們便不再使用礦石檢波器。不過,在第二次世界大戰時,礦石檢波器又起死回生。使用礦石檢波器的雷達,在第二次世界大戰相當活躍。

雷達的原理。圖/東販

雷達如圖 1-3 所示,可透過指向性高的天線,朝特定對象發射高頻率電波脈衝,再接收由該對象反射回來的電波,並計算時間差,以測量出與該對象的距離與方向。之所以要使用高頻率電波,是因為頻率愈高,愈能正確識別出細小的物體。

這種雷達使用的無線電波叫做微波,頻率在 3GHz~10GHz 左右。若要用真空管檢波器,從頻率那麼高的無線電波中檢出訊號,必須使用體積很大、電容量很大的真空管才行,所以真空管不適用於高頻率的檢波器。

重出江湖的礦石檢波器

此時就輪到礦石檢波器重出江湖了。使用礦石檢波器時,針與礦石只要有一個接觸點就行了,電容量很小,在高頻率時也能正常運作。

如前所述,礦石檢波器的運作並不穩定,無法直接用於戰爭。於是歐美國家便紛紛投入研發性能更好、能夠取代礦石檢波器的新型檢波器,最後得到的就是矽晶(半導體)與鎢針的組合。

矽晶是由人工製成的均質結晶,所以不需要像使用礦石時那樣,用金屬針尋找、調整最佳的接觸位置。

而且,隨著雷達矽檢波器的研究持續發展,科學家們也發現了矽晶是相當典型的半導體。

為了提高結晶的純度,矽晶的精製技術也跟著進步,這和戰後電晶體的發明也有一定關聯。而且,因為製造出高性能的檢波器,所以人們也開始使用像是微波這類過去幾乎不用的高頻率無線電波。相關技術在戰後開放給民間使用,於是電視與微波通訊也開始使用這些無線電波。

雖然我並沒有要肯定戰爭行為,但戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。

戰爭確實也有促進科學技術發展的一面。圖/pexels

半導體就是這種東西—溫度與雜質可提高電導率

接著就讓我們進一步說明,半導體究竟是什麼東西吧。

所有物質大致上可依導電性質分為兩類,分別是可導電的「導體」,以及不能導電的「絕緣體」。

導體的電阻較低,電流容易通過,譬如金、銀、銅等金屬皆屬於導體。另一方面,絕緣體的電阻較高,電流難以通過,橡膠、玻璃、瓷器皆屬於絕緣體。

我們可以用電阻率 ρ(rho:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電阻率的單位是〔Ω・m〕,電阻率愈大,電阻就愈大。

導體、半導體、絕緣體的分類。圖/東販

如圖 1-4 所示,雖然沒有明確的定義,不過導體指的通常是電阻率在 10-6Ω・m 以下的物質,絕緣體指的則是電阻率在 107Ω・m 以上的物質。

相對於電阻率,有時會用電導率 σ(sigma:希臘字母)來描述物質的電阻大小。電導率為電阻率的倒數(σ=1∕ρ),單位為〔Ω-1・m-1〕。與電阻率相反,電導率愈大,電阻就愈小。

相對於此,半導體如名所示,性質介於導體與絕緣體之間;電阻率也介於導體及絕緣體之間,即 10-6〜107Ω・m。代表性的半導體如矽(Si)與鍺(Ge)。

半導體的特徵不僅在於電阻率的大小,更有趣的是,隨著溫度與微量雜質濃度的不同,半導體的電阻率數值也會有很大的變化。圖 1-5 為溫度對半導體電阻率的影響示意圖。圖中縱軸寫的是電導率 σ,但要注意的是,縱軸的 σ 值其實是對數尺度。

溫度對半導體電阻率的影響。圖/東販

由這個圖可以看出,一般而言,隨著溫度的上升,金屬的電導率會下降(電阻率上升);但半導體則相反,在 200℃ 以下的範圍內,溫度上升時,半導體的電導率會跟著上升(電阻率下降)。

1839 年,法拉第在硫化銀 Ag2S 上首次發現了這種隨著溫度的上升,電導率會跟著上升的奇妙現象。雖然他不知道為何會如此,不過,這確實是人類首次發現半導體性質的例子。

電流是電子的流動,所以電導率提升,就代表半導體內的電子數變多了。電子原本被半導體原子的+電荷束縛著,無法自由移動。不過當溫度上升,獲得熱能後,電子就能脫離原子的束縛自由移動了。

這種能自由移動的電子(自由電子)數目增加後,會變得較容易導電,電導率跟著上升。這就是半導體的一大特徵。

高純度的半導體結晶在室溫下熱能不足,幾乎不存在自由電子,所以可視為絕緣體。

不過,如果在半導體結晶內添加極微量的特定元素雜質(Ge 與 Si 以外的某些元素),便可大幅降低電流通過半導體的難度。這也是半導體的一大特徵(詳情將在 1-5 節中說明)。

半導體的自由電子,也可以透過光能觸發。

英國的史密斯於 1873 年時發現了這種現象。他用光照射擁有半導體性質的硒(Se)時,發現硒的電阻變小了(內光電效應)。

1907 年,英國的朗德對碳化矽(SiC)結晶施加電壓賦予能量時,發現結晶會發光。這種能讓光與電能互相變換的特性,也是半導體的特徵。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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真的能「感同身受」嗎?我感受到了你的感受——《我是誰》
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・2022/11/11 ・2543字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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感同身受真的存在嗎?

有些人在看到卡爾.梅(Karl May)的小說拍成的電影裡溫尼圖(Winnetou)死去的那一刻掉下淚來;有些人為電影《油炸綠番茄》裡蘿絲(Roth)的死而哭;還有一些人在看到小說《哈利波特》裡鄧不利多(Dumbledore)教授被殺時流淚。

我們在看悲傷的電影或書的時候會哭,是因為我們設身處地去想像故事裡那些英雄們的感覺,彷彿他們的痛苦就是我們自己切身的痛苦一般;我們跟著笑,我們也為影片中的怪物和心理變態情節感到害怕,就好像他們威脅到了我們一樣。

我們在電影或書的時候會跟著劇情有情緒起伏,是因為我們設身處地去想像故事裡那些英雄們的感覺。圖/pixabay

這些是每個人都有過的經驗,但它們是如何產生的呢?為什麼我們能夠了解他人的感覺?為什麼我們會在電影院裡起雞皮疙瘩,雖然在那裡一點也不危險?為什麼他人的感覺會感染到我身上呢?

答案很簡單:我們能夠感同身受,是因為他人(在現實世界或電影裡)的感覺喚起了我們心中相同的感覺;而這很可能不僅存在於人類。

根據德瓦爾在麥迪森研究中心的觀察,母獼猴法恩的姊姊顯然也感覺到法恩的痛苦和恐懼。然而,即使能與他人「感同身受」或「心有戚戚焉」是如此理所當然,對科學界來說,直到近幾年,這仍是個完全無解的謎。令人驚訝的是,第一位提出具有科學說服力的學者,在其所屬的專業領域之外仍然鮮為人知。

腦部研究的佼佼者:賈科莫.里佐拉蒂

賈科莫.里佐拉蒂(Giacomo Rizzolatti)經常被人們和愛因斯坦相提並論:蓬亂的白髮、嘴上同樣蓄著的白鬍子,以及臉上狡黠的微笑。不過他們的相似處不僅止於外表。

賈科莫.里佐拉蒂。圖/Wikipedia

對許多腦部學者來說,這位活潑開朗的義大利人是學界裡的佼佼者;他將腦部研究推向一個新的層次。不過,他的研究領域並不是最熱門的。里佐拉蒂探究控制行為的神經細胞,即所謂的行為神經元,已經超過 20 年了。

這個比較無趣的領域,因為啟動行為的「運動皮質」始終被視為比較遲鈍的腦區。大部分的學者都想:如果我們能夠研究像語言、智力或感覺等複雜的領域,又何必對簡單的肢體動作感興趣呢?

看來似乎是如此。不過,情況在 1992 年有所轉變,而且這個轉變令大家都跌破眼鏡。里佐拉蒂工作的所在地帕瑪(Parma)是歐洲最古老的大學,位於城市邊緣的醫學院卻是個非常前衛的雪白色建築樓群。

1990 年代初期,里佐拉蒂身邊的腦部學者從事一項很不尋常的研究。他們知道,特定的行為具有「傳染」的效果,發笑、打哈欠、甚至談話者的身體姿勢,都能立刻引起對方的模仿。在某些猿猴也出現相同的現象,某些種類甚至以喜歡模仿聞名。

不過研究人員偏偏決定以一種一般來說不會模仿同伴的豬尾獼猴作為研究對象。里佐拉蒂和幾位較年輕的同事伽列賽(Gallese)、佛格西(Fogassi)和迪派勒吉諾(di Pellegrino),將電極接到一隻豬尾獼猴的腦部,然後把一粒核桃放在地上,並觀察當猴子快速伸手抓取核桃時某個行為神經元如何反應。

研究者將電極接到一隻豬尾獼猴的腦部,然後把一粒核桃放在地上,並觀察當猴子快速伸手抓取核桃時某個行為神經元如何反應。圖/Wikipedia

鏡像神經元的發現

至此一切都算正常,不過,這時驚人的情況發生了:研究人員把同一隻猴子放到一片玻璃後方,這次牠抓不到核桃了,只能眼睜睜看著里佐拉蒂的助手伸手抓取核桃。這時猴子的腦部發生了什麼現象呢? 當牠注視別人拿牠的核桃時,相同的神經元產生反應,就像牠之前自己伸手去抓核桃一樣,雖然牠的手並沒有移動,牠的精神卻想像了這個動作。

科學家們無法相信自己所看到的:無論猴子是親手完成某個動作,亦或只是精神想像了訓練師所做的動作,其神經細胞都做了完全一樣的工作。

在此之前,從未有人觀察腦部如何模擬現實裡沒有發生的動作,而李奧那多.佛格西(Leonardo Fogassi)則是第一人。不過成功應該是屬於整個團隊的。里佐拉蒂發明一個新的概念,他把這個在被動想像時卻如真實行為般於腦部引發相同反應的神經細胞稱為「鏡像神經元」,一個新的神奇術語就此誕生了。

「親身經歷」和「感同身受」的差別

首先是義大利,接著是全世界大學和研究中心的腦部學者,都立刻投入鏡像神經元的研究行列。如果人的腦部對於我們的「親身經歷」和只是「認真觀察並感同身受」的反應沒有差別的話,那麼這不正是了解我們社會行為的關鍵嗎?

至少鏡像神經元是其中一個重要部分。它位於額葉的前額葉皮質,一個稱為「腦島」的區域。然而這個腦島卻不同於「社會中心」,也就是到目前為止所說的「腹側區」。

大腦額葉和頂葉的位置,從左側看。額下葉是藍色區域的下部,頂葉上葉是黃色區域的上部。圖/Wikipedia

其中的差別也很清楚,因為鏡像神經元雖然和無意識的「移情作用」有關,卻和更大範圍的計畫、決定或意願無關。到目前為止,我們還不很清楚這些腦區如何交互作用。

里佐拉蒂於 6 年前以圖像程序說明,人類的鏡像神經元顯然也位於負責語言的兩個腦區之一(布羅卡區)附近,這使得學界特別振奮。

荷蘭格羅寧根(Groningen)大學的腦部學者不久前在「聽到聲響」和「鏡像神經元發出信號」之間發現了有趣的關聯。當人聽到開飲料罐氣泡冒出的聲音時,腦中的反應就跟他自己開飲料罐完全一樣;也就是說,單憑聲音就足以讓人經歷到整個情況。

——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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