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斜塔錯覺

謝伯讓_96
・2014/10/14 ・2400字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

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文/謝伯讓/謝伯讓的腦科學世界

大家有沒有覺得右邊的斜塔比較斜?這是錯覺喔!

這是2007年美國最佳視覺錯覺冠軍(leaning tower illusion):只要把兩張一模一樣的斜塔照片放在一起,右邊的斜塔看起來會比較斜。

原因如下圖:根據視覺經驗,兩平行線並然會在遠端會合。而這個經驗之所以會產生,是因為當事物離我們越遠時,它在視網膜上的投影就會越小

330px-Railroad-Tracks-Perspective

畫家們早就熟知這個道理,因此在畫圖時(如下圖),就會加入「透視圖法」或「遠近畫法」,讓二維的圖畫看起來有三維空間感。

375px-DushanTappe

好,那為什麼這個經驗,會導致斜塔錯覺呢?

這是因為大腦已經把這個經驗內化成一種「規則」了!

由於大腦的重要功能之一,就是透過視網膜上的「二維影像」在心中快速建構出「三維空間感」。這個建構的過程必須越快越好!因為,人類在空間中快速穿梭能力是能否生存的關鍵。被獅子追著跑的時候,你若還在那邊慢慢地建構三維空間,那很快就會GG了。

有鑑於此,大腦就內建了一條自動且快速的基本假設(捷思):「兩平行線並然會在遠端會合。反之,兩條在遠端不會合的線必然不平行。

這捷思可以說是一條運作快速且非常強大的基本假設。它可以幫助我們快速判讀世界的三維結構。

例如,當世界中真的有如下兩條鐵道長這樣,那它們肯定是漸行漸遠的兩條不平行鐵道。

330px-Railroad-Tracks-Perspective2

回到塔的例子,當世界中真的有兩個平行的塔時,我們看到的會有如以下這張圖。

640px-Petronas_Panorama_II

反之,如果真實世界中真的有長得下圖中的塔,那這兩個塔一定不平行,也就是說,其中的一個塔一定比較斜。

640px-Petronas_Panorama_III

所以說,又是大腦太雞婆啦。

大腦很好心,幫我們做了一些捷思,但是祂犯了一個錯誤,就是沒料到自己會演化出畫畫的技巧、沒料到自己會演化出發明電腦然後修圖的無恥技能。因此,當無聊的畫家或科學家把兩張一樣的斜塔圖擺在一起時,大腦中那條預設的規則依然會自動發作,誤以為這是來自真實世界的兩個塔,那麼既然兩塔在遠端不會合,它們必然不平行。

而且,這種捷思的力量很強大,任你怎麼透過意志力來矯正,也是惘然啦。

問題一:為什麼是右邊的比較斜?

嚴格說起來,並不是右邊的塔比較斜,而是兩個塔漸行漸遠。你可以說右塔比左塔更往右斜,但你也可以說是左塔比右塔更往左斜。如果兩塔圖整個左右翻轉,你就可以輕鬆看出這個道理:

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問題二:只有雙塔會出現錯覺嗎?

不是。任何在空間中有深度延伸的圖片,只要兩張擺在一起,都會出現同樣的錯覺(下面兩條路看起來根本是要去不同的方向啊~~~):

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問題三:科學家是如何發現這個錯覺的呢?

2007年,加拿大McGill 大學的金頓教授(Frederick Kingdom)在美國最佳視覺錯覺比賽中發表這項錯覺時,我就在台下觀看(我是2006年的前10名)。後來我逮到機會問他是麼發現這個錯覺的,他說這完全是無意間發現的。他的苦命研究生當時在測試人類辨識顏色的能力,於是就把兩張完全相同、但顏色稍微修改過的圖片放在一起。剛好,其中有一組圖是雙塔, 於是這個錯覺就誕生啦。

最後,幫科宅們補一些認真的結論:

一、大腦會跟據演化和生活經驗自動作出許多預設(建立捷思、自動腦補)。那為什麼要建立捷思呢?以視覺為例,第一個原因,是因為大腦要求快速處理資訊,不能慢慢計算,所以要透過預先設立好的捷思來幫忙。第二個原因,是因為大腦從感官所接收的資訊有限,例如視網膜上只有二維訊息,想要建構出三維空間感, 就必須加入一些假設來填補不足的資訊。大部份的情況下,這些預設都能幫助我們建構出正確的世界原貌,但是在一些極端的狀態下偶而會「出錯」,於是我們就會出現「錯覺」。

二、這些錯覺展現出「認知不可穿透性」(cognitive impenetrability),也就是「憑藉意志也無法改變其結果」的意思。這個概念最早是由認知科學家柏里辛(Zenon Pylyshyn)所提出,他認為當某種認知能力夠原始、夠穩定、且已經被寫入大腦硬體之中時,這種功能就具有「認知不可穿透性」,也就是不會受到信念等其他高階認知能力的影響。

哲學家佛德(Jerry Fodor)在談到心靈模組(modularity of mind)時,也談到類似的概念,他提出的名詞是「資訊膠封」(information encapsulation):一個心智模組中的資訊是膠封的,無法被其他腦區中的資訊所影響。總而言之,就是任你怎麼透過信念或意志力來矯正,也是徒勞無功啦。

三、嚴格說起來,這個「斜塔錯覺」並不算是一種錯誤,因為如果世界上真的看起來像圖一那樣的雙塔,那其中一塔的確會是比較斜無誤。

四、即使大腦內建的預設會造成的錯覺,但這也不代表大腦很爛或大家都是腦殘。相反的,這顯示出大腦一直努力不懈的在找尋世界中的規則、並且會在找到規則後幫我們建立捷思。捷思建立的越多,我們就能夠騰出越多的腦力來面對其他更重要的不規則突發事物。

所以,大家要好好感謝一下自己的大腦啊!

 

參考資料:

  1. Kingdom, F. A. A., Yoonessi, A. & Gheorghiu, E. (2007). The Leaning Tower illusion: a new illusion of perspective. Perception, 36, 475-477.

延伸閱讀:

註:更多大腦的秘密,請參考謝伯讓的《都是大腦搞的鬼》。

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謝伯讓_96
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美國達特茅斯學院認知神經科學博士,麻省理工學院腦與認知科學系博士後研究員。曾任杜克─新加坡國立大學醫學院助理教授、腦與意識實驗室主任,現為國立台灣大學心理系副教授。研究主題為人腦如何感知世界。 部落格:The Cry of All。 著作:《都是大腦搞的鬼》《大腦簡史》


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》