剖析恐懼為何物：恐懼心理學

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

本文轉載自顯微觀點

擴張顯微術、免疫螢光標記搭配雷射共軛焦顯微鏡，果蠅腦部緻密的多巴胺神經網路展開在我們眼前。初看猶如璀璨星雲，接近端詳就能發現神經束繁複清晰，聯繫著綻放光芒的神經元，猶如從太空站觀看的都會夜景。

這張精彩的作品「Wiring the Brain」，是以果蠅大腦探索連接體學，尋找腦部運作奧秘的路線圖之一，由清華大學腦科學中心的博士生劉柏亨拍攝。獲得 2023 Taiwan 顯微攝影競賽銀獎，不僅是劉柏亨在追求科學真相途中的額外收穫，也是他對自己多元興趣的重要實踐。

從材料工程到腦神經 追求變化的躍動旅程

大學時主修材料科學的劉柏亨，從「自修復材料」開始，研究興趣逐漸從工程領域轉向仿生（Bio-inspired）科技。他的碩士班題目是以生物晶片模仿心臟，作為藥物篩選平台。對他自己和指導教授都是嶄新的題目。

「我是個很好動的人，因此選擇了一個全天都在活動的器官。」

——劉柏亨說，當時雖有學長研究細胞遷移，但對他來說還不夠「動感」，因此選擇團隊中沒有先例的心臟作為研發目標。

以仿生材料模擬心臟的過程中，劉柏亨意識到，「我對細胞、組織的基本原理還不夠了解，容易以工程師的觀念模擬心臟特性，有時會違反真實、整體的生理學。」他因此萌生了建立生醫知識基礎的求知慾。

劉柏亨想要挑戰更複雜的器官，進入江安世院士領導的清華大學腦科學研究中心攻讀博士，將短期具體研究目標放在「腦神經的影像化」，長期的探索方向則是「系統性地理解『生命現象』」。

無畏複雜 以系統視野理解生命

劉柏亨說明，上一階段的生命科學著重精準分析特定分子的功能，逐步研究細胞生理的單一面向。但人體不只由數種分子或細胞組成，而是上兆個細胞形成群體、互相影響，才展現出人類個體的生命表現。

以系統生物學（Systems Biology）觀念，整合地理解人類生命，是劉柏亨著迷的目標。他說，因為分子與細胞生物學研究充分累積，現今的生醫知識基礎與技術成熟，已形成科學家投入系統生物學的良好時機。

其中最吸引他的，是呈現腦神經系統的「連接體（Connectome）」及探究其整體運作的「連接體學（Connectomics）」。

連接體學是探究精神官能症狀、神經性疼痛、認知退化等腦部相關疾病的最新路徑。解碼線蟲、果蠅等模式生物較為簡單的神經連接體，將能推動對人類腦部運作方式的理解，也是神經生物學與醫學的關鍵方向。

系統生物學重視聯繫與整合的思維，不僅是劉柏亨追求知識的途徑，也延伸了他對生物學專業與社會的觀點。

這位接連跨足不同領域的博士生說，擷取腦神經影像的程序從前端的生物材料製備，到後端影像系統的工程科技都不可或缺，不是一個人的專業能力能夠包辦。

他因此體悟，每張顯微影像都結合多種專業，而生物學的每一步進展也是不同領域科學家努力的整體成果，並非一個天才在單一領域獨力鑽研而成。

「許多不同的神經細胞彼此透過突觸聯繫彼此，建構出有神奇功能的腦。就像是人與人建立連結，建構社群與社會。」

——劉柏亨在頒獎典禮現場如此介紹自己獲獎的顯微影像。

工程師的生物學 如調酒般逐步改良

這張螢光染色的果蠅腦神經多巴胺網路圖，輸出到超過人腦的截面積，依然清楚呈現星羅棋布的迴路與神經元。跨越繞射極限的清晰成像，要歸功於擴張顯微術（Expansion Microscopy）與劉柏亨逐步改良工法的耐心。

劉柏亨解釋，擴張顯微術中「分解」步驟對螢光訊號最為關鍵。蛋白酶能夠有效分解（digest）樣本的蛋白質骨架，讓樣本順利擴張，但是會犧牲不少螢光蛋白與解析度。

替代方法是以藥物促使蛋白質變性（denature）降低張力，維持螢光訊號強度，但是樣本擴張過程會有較多阻撓，導致結構變形。劉柏亨說，

「結構變形，就不是原本要追求的東西，訊號再強也沒有用。」

他笑稱自己「『像個工程師』地追求實驗最佳化，把兩種分解途徑混成雞尾酒，每一杯都稍微調整改良。」他調和兩種分解概念，嘗試不同藥劑濃度、工序、實驗溫度；或以生物素化（Biotinylation, 在樣本擴張前使用）, 鍵擊化學（Click Chemistry, 在樣本擴張後使用）放大螢光訊號。

經過了近四十份的樣本製作與拍攝，終於得到滿意的影像。他敘述製作過程的語氣輕快，其實每一次擴張顯微術的製備與拍攝，都是漫長嚴謹的科學工作。

每一組樣本（大約十顆果蠅腦）的免疫螢光染色工期大約一週，擴張過程耗時三至四天；以轉盤式共軛焦顯微鏡拍攝單顆擴張的果蠅腦樣本，則需要 18 小時左右；接著要花上一整天，等待軟體拼接壓縮上萬張圖片。

獲獎的「Wiring the Brain」就是超過 10 萬張顯微照片的拼接疊合而成，包含將原本立體的影像透過專用軟體壓縮成平面。劉柏亨譬喻，「打開全新的 iPhone15 Pro，按住快門連拍直到記憶體滿載罷工，就是一張果蠅連接體影像需要的容量。」

繁密的連接體影像，不僅讓劉柏亨在連接體學的迷宮中前進，也能滿足他對美感與藝術的追求。在實驗室外也是攝影愛好者的劉柏亨，本學期正在修習清大科技藝術研究所曹存慧老師的生物藝術課程。

藝術家的生物學實驗室：向外延伸感官 向內反思存在

劉柏亨興奮地分享，他正與組員規劃虛擬展覽「藝術家的生物學實驗室」，模擬一個身懷生物科技的藝術家，會如何規劃他的實驗室。

腦機介面、組織再生、基因工程，是三個劉柏亨想要優先呈現的技術。

從編輯 DNA，改變蛋白質，最後型態出現差異，基因工程是現代生物技術的基礎。組織再生可以展現生物體修復能力與生醫工程的可能性。腦機介面則是最直接觸及心智能力、感官範疇，也結合最多精密工程技術的領域。

「這個藝術家本身帶有基因或感官的缺陷，試圖用生物科技延伸他的感官。參觀者能體驗生物科技延伸感官、改變身體的能力，並從中反思我們作為個體存在於環境中，與環境互動的關係。」

——劉柏亨解釋藝術計畫的初衷，一如對顯微技術的投入。

與藝術學院同學合作的過程中，劉柏亨發現組員們對生物學的知識足夠，較為不同的是，藝術領域的組員對於色彩組合或實驗操作，常常比科學領域的學生更加直覺，帶來浪漫的不確定性及意外的創造性。這種風格能與劉柏亨的藝術追求產生共鳴，但是科學研究必須要求精確，在浪漫與精確之間拿捏，也是他練習的目標。

另一方面，藝術學院的組員也常引導劉柏亨設計出更簡潔的生物學科普展示；或是透過討論，讓他想傳達的科學概念更具體明確。

使新奇成為日常元素 顯微鏡是好奇心泉源

從攝影、腦神經到生物藝術，劉柏亨喜歡讓心智保持活躍與好奇。他形容自己，「每天我都需要新的刺激，我喜歡讓學習新事物成為生活的常態。」他對顯微技術的投入，也是由碩士班期間的好奇心開啟。

當時的實驗室備有共軛焦顯微鏡，劉柏亨並不負責保養，也不須理解光路，但是好奇心驅使他向前來校正的工程師陳正義學習。劉柏亨說「正義哥算是我的顯微技術啟蒙老師，只要他出現在實驗室，我就會站在旁邊追問。」

現在劉柏亨遇到超越既有能力的顯微技術問題，不僅會和團隊成員討論，也會向其他實驗室的技術人員，甚至教授求教。參與不同團隊合作架設光學系統的過程，讓他深入了解雷射共軛焦顯微技術的原理，並體驗以精密工程逐步實現理論。

劉柏亨認為，顯微技術不僅是延伸感官的工具，更提供理解周遭世界的全新方式。隨著理解方式改變，好奇心與探索的內在動力會源源不絕地湧出。

「顯微鏡其實是激起好奇心的動力引擎。」

——劉柏亨認為從日常生活進入微觀世界，最重要的回饋是對人內在的激勵，不只是外在的觀察。

從機器管家出發 追問生命的意義

對自己的研究目標轉換，劉柏亨說「心臟的細胞運作起來具有高協同性，像是訓練有素的樂儀隊。但腦神經的運作瞬息萬變，隨時變化，更像是社會中的人際連結。」儘管像是越級打怪，他仍想探索更複雜的生命系統。

說到自己對生物學的內在動機，劉柏亨回憶，「我一直記得電影《機器管家》（Bicentennial Man，1999 年上映）。透過機械工程組合無機的零件，可以模擬一個真實的人類，與人建立感情。其中一定需要對生命原理的了解，非常神秘。」

對複雜生命現象進行整合研究，進而建立精密的仿生系統，這個系統不僅可能成為藥品篩選、器官再生平台，在更遠的未來可能成為人的延伸，甚至模仿人的整體生命表現。

這個猶如科幻小說楔子的目標，由劉柏亨敏銳的好奇心與多元的科學技藝積累堆砌而成。他說，

「在理解、實現這個系統的過程中，我會掌握生命的意義。」

參考文獻

• Complete wiring map of the insect brain NIH
• See an Amazingly Detailed Map of the Fruit Fly Brain Nature
• Gigantic map of fly brain is a first for a complex animal Nature
• Website of Ed Boyden

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• 朱家瑩／雅文基金會聽語科學研究中心 研究員

想像一下當你聽到手指甲刮著黑板產生的摩擦聲，或者是拿著叉子摩擦著不鏽鋼碗的聲音，抑或是小孩的哭叫聲，有沒有哪一個聲音會讓你全身起雞皮疙瘩，想要用手摀住耳朵，甚至是情緒爆炸、只想要遠離現場呢？這些讓人不適的聲音，是有其特有的聲學特質？或是其他緣故呢？

不是尖銳、高頻音就刺耳，而是流淌在你我血液的祖先智慧

一般認為，令人不適的聲音是因為刺耳的高頻聲，尤其像是手指甲刮黑板時所產生的摩擦聲，其中那種「ㄍㄧ ㄍㄧ ㄍㄧ」的聲音，似乎是造成不適感的主因。

然而，Halpern、Blake 和 Hillenbrand（1986）這三位研究者對於這個現象感到好奇，因此他們進行了一項實驗 ^[1]，他們將那些令人不適聲音（如：刮金屬或石板的聲音）中的高頻音減弱。

結果顯示，即使減弱尖銳的高頻聲音，受試者仍然感到不適，因而主張尖銳的高頻音並不是造成不適感的主因。接續 Halpern 等人在企圖尋求答案時，意外發現刮黑板的聲音頻譜圖跟靈長類猴子的警告叫聲非常相似，因而大膽推測這個不適感並非高頻音造成的，而是源於人類祖先的記憶。

人類對特定頻率區間的聲音感知最敏感，加上跨感官的連結，讓人聽到某些音就不適

可惜，到底是不是來自老祖先的智慧傳承，這點未獲得後續研究的支持。另一方面，Kumar 等人（2008）進一步以聲學分析探究是否是因特定頻率導致聆聽的不適感時，發現聲音中涵蓋 2500-5500 赫茲這個頻率區間的聲學頻率似乎特別容易引起聽者的不適感 [2]。

他們推測這可能是因為這個頻率範圍的聲音感知上最為強烈，同時也具有最高的能量，因此使得聽覺系統特別對這些頻率的聲音敏感。

但是，我們平常聊天談話中也涵蓋了這個頻率範圍的聲音，除了頻率之外，是不是還有其他因素造成對某些聲音的不適感呢？

Ro 等人（2013）發現當聽到聲音時，聲音進入大腦的聽覺皮質同時，會傳遞訊號到觸覺感官系統，啟動了觸覺感官，讓聽者聽到聲音時，「感覺」到自己的皮膚彷彿被指甲刮的刺痛感 ^[3]。

聽聲音會啟動身體觸覺感官系統並非只存在刮黑板這類聲音，有些人在聽到音樂聲，像是聽到低音貝斯的聲音時，也會感覺到自己的身體也在震動，甚至感受到皮膚的不適感 ^[4、5]。

也許因為這個跨感官的訊號傳遞，讓身體的其他部位也出現不適的感受，才會讓聽者對於這些聲音感到不適。

當感知到令人不適的聲音，杏仁核會依據習得經驗，決定是否啟動保護機制！

Zald 與 Pardo（2002）發現當聽到讓人感到不適的聲音刺激時，大腦中的杏仁核（amygdala）會高度活化 ^[6]，而杏仁核在大腦中負責掌控恐懼、焦慮、害怕等負面情緒，換句話說，當聲音訊息抵達杏仁核時，它會誘發情緒反應，進而導致我們做出不同行為反應 ^[7]。

杏仁核的啟動是大腦的一種保護機制，透過過往的經驗連結學習會對讓人不適的聲音發出警報^[8] ，當聽者遇到可能危及安全的聲音時，杏仁核就會發出警報。

例如，當聽到車子緊急剎車的聲音時，這個聲音傳送到杏仁核，會進而引起我們想要逃離的反應，或者產生對駕駛者行為的憤怒反應。

由於杏仁核在聆聽這些聲音時會高度活化，Kumar 等人（2012）進一步試圖了解在聆聽令人不適的聲音時，杏仁核在大腦中扮演著怎樣的角色，以及聲音資訊如何被傳遞到杏仁核。

他們的研究結果顯示，聲音刺激會最先傳送到聽覺皮質（auditory cortex）進行聲學訊息處理和分析，解碼聲音所代表的意義，例如，聽到「ㄍㄧ」的剎車聲，解碼出來的是來自汽車或者腳踏車的剎車聲。聽覺皮質處理完畢後，將資訊傳遞到杏仁核，當杏仁核接收到來自聽覺皮質的訊號後，依據這些訊息及過去經驗發出警報 ^[8]，誘發恐懼、焦慮或憤怒等負面情緒，並可能促使進一步的行為反應，像是尖叫、摀住耳朵，或逃離現場。

舉例來說，如果是汽車的剎車聲，基於過去的經驗，可能存在危險，因此可能會誘發恐懼情緒，並引發立馬逃離現場的行為舉動。

然而，如果解碼後的聲音是腳踏車的剎車聲，根據過去的經驗，可能不會有危及生命的危險，因此即便會觸發閃躲的動作行為，但負面情緒可能不如汽車剎車聲來的強烈，可能只會憤怒的罵騎車的人不長眼。

聽到某些聲音，讓人立馬想逃或想戰，也許這個過往的經驗是來自遠古時代祖先的傳承，但更可能是因為聽到這些聲音時，觸覺感官系統被啟動了，身體上「感覺」到不適，所以當不適的聲音再次出現時，杏仁核的活化反應就更增強，讓我們除了單純的接收到聲音之外，也產生了身體及情緒上的反應。

參考文獻

1. Halpern, D. L., Blake, R., & Hillenbrand, J. (1986). Psychoacoustics of a chilling sound. Perception & Psychophysics, 39, 77-80.
2. Kumar, S., Forster, H. M., Bailey, P., & Griffiths, T. D. (2008). Mapping unpleasantness of sounds to their auditory representation. The Journal of the Acoustical Society of America, 124(6), 3810-3817.
3. Ro, T., Ellmore, T. M., & Beauchamp, M. S. (2013). A neural link between feeling and hearing. Cerebral cortex, 23(7), 1724-1730.
4. Koenig, L., & Ro, T. (2022). Sound Frequency Predicts the Bodily Location of Auditory-Induced Tactile Sensations in Synesthetic and Ordinary Perception. bioRxiv.
5. Lad, D., Wilkins, A., Johnstone, E., Vuong, Q.C. (2022). Feeling the music: The feel and sound of songs attenuate pain. British Journal of Pain, 16(5), 518-527. 
6. Zald, D. H., & Pardo, J. V. (2002). The neural correlates of aversive auditory stimulation. Neuroimage, 16(3), 746-753.
7. LeDoux, J. E. (2000). Emotion circuits in the brain. Annual review of neuroscience, 23(1), 155-184.
8. Kumar, S., von Kriegstein, K., Friston, K., & Griffiths, T. D. (2012). Features versus feelings: dissociable representations of the acoustic features and valence of aversive sounds. Journal of Neuroscience, 32(41), 14184-14192.

撰文：路克．克拉克（Luke Clark）
譯者：楊仕音（Mr. 柳澤）

儘管目前人類生活在有史以來最安全的時代，但仍有許多人依舊承受著恐懼與焦慮之苦。《Discovery探索頻道雜誌》決定審視恐懼背後的科學因素，並藉由深入探究，協助患者扭轉面對恐懼與焦慮時的原始反應，進而找出能使患者稍稍鬆一口氣的方法。

「外面的世界漆黑一片。距離天亮時的晨間禱告還有好幾個小時。無論丹尼身在何處，我願拋下我所擁有的一切，只盼換得與他重逢。」

上面這段敘述取自瑪麗安．珀爾（Mariane Pearl）的回憶錄《堅強的心》（A Mighty Heart）第33頁。她的陳述對多數人來說是遙遠又陌生的經驗，但是你卻完全能夠想像喀拉蚩（巴基斯坦城市名）最黑暗那個夜晚的樣貌。身為讀者的我們，已然進入這位作家筆下描繪的深刻感受：它翻攪著你的胃；它名為「恐懼」。

透過瑪麗安．珀爾的文字，你彷彿親身感覺到當她得知丈夫丹尼．珀爾（Danny Pearl）在巴基斯坦失蹤的清晨，內心無比沉重難受，逼得她幾乎要喘不過氣來。尤其當時為2002年初（九一一攻擊事件之後的五個月內），所有在巴基斯坦的新聞工作者都深恐一不小心就「下落不明」。如果你恰好前去採訪與恐攻嫌疑人有關聯的人物，更無法不提心吊膽。

瑪麗安繼續寫道：「我知道他無法隨意活動。」接著，瑪麗安沉痛地在腦中湧現一連串問題：「為什麼我沒有更注意採訪地點的危險性？為什麼我不夠警覺？為什麼我沒有陪他一起去巴基斯坦？我當時沒有病得沒辦法去。為什麼……」

終於，瑪麗安凝聚起強大力量，決定振作起來。「我告訴自己：停下來，」她寫道，「停止沒完沒了的思緒。遺憾與後悔不過是在浪費精力罷了──質疑現實又有何用呢？」這股力量便是她感人故事的象徵。

安全之下的恐懼感

不要質疑現實。這對每個人來說都是重要的提醒。不幸的是，對很多人來說，更尋常的現實似乎是：雖然多數人都過著十分平安的生活，但恐懼的陰影依舊揮之不去。

丹尼爾．賈德納（Daniel Gardner）在《恐懼學：恐懼文化如何操控你的大腦》（The Science of Fear）一書中生動地闡述了這種困境：「我們身處有史以來最健康、長壽又富有的時代，但恐懼卻不減反增。此為這個世代最大的矛盾。」

儘管人類已發展出各類疫苗、安全帽與和平協議；儘管我們能以最即時、成本最低的方式獲取知識，但恐懼核心（大腦顳葉深處的杏仁核）卻依然在人體內忙碌運轉。輕微者會因此而焦慮、偏執；嚴重者則可能罹患不同型態的恐懼症，甚或更嚴重的病症。

這讓我們不禁想問，恐懼的確切定義為何？假設少了恐懼，人類將有何不同？隨著科學家對大腦內部運作方式的理解愈來愈深入而廣泛，是否可以藉此幫助人類「改寫」大腦面對恐懼的反應，並將之轉化為有益的回饋？

賈德納首先帶我們回到2001年九一一恐怖攻擊事件發生當下。在這個大眾媒體當道的年代，九一一事件誘發了前所未見的媒體驚恐群舞，可以說是社會大眾最熟悉的恐懼象徵。「恐懼如此鮮明、如此貼近每一位觀眾，彷彿我們正透過客廳窗戶親眼目睹整場駭人的景象。」這或許可解釋為什麼驚恐萬分的美國人會蜂湧投入另一項更危險的活動。

賈德納引用德國柏林馬克斯．普朗克研究所的學者格爾德．蓋格倫澤爾（Gerd Gigerenzer）的研究成果。他發現在這一年間，許多美國人不再搭乘飛機，寧可以陸上交通工具代替。賈德納寫道：「蓋格倫澤爾計算出美國該年因此直接導致的車禍死亡人數：1595人。」

那麼這些車禍受難者的家屬與朋友是如何看待這個結果呢？「他們自始至終篤信失去丈夫、妻子、父親、母親、孩子的原因只是一般的交通意外，是生活在現代社會難免的遺憾，」賈德納繼續寫道，「但事實並非如此。『恐懼』才是奪走他們摯愛的元兇。」

雖然這個結論下得有些武斷，但此例確實顯示出一個多數人都認為合理的概念：我們對鯊魚攻擊或綁架案的恐懼遠大於致死率更高的「平凡殺手」──車禍和心臟病。然而問題在於：一旦明白高速公路和垃圾食物的「真相」後，我們的恐懼感卻只增不減。

所以恐懼究竟是什麼？艾比蓋爾．馬許（Abigail Marsh）醫師是喬治城大學心理學副教授，她最近在科普影片〈恐懼的化學〉中說明，這個感受是身體部位做出的假設。

「恐懼是預期潛在傷害的心態，」馬許解釋，「我們已知身體對可能發生的威脅極度敏感，而且將恐懼訊息傳遞至大腦的路徑也不只一條。」引發大腦恐懼反應的區域即是杏仁核。杏仁核由杏仁般大小的兩群神經細胞組成，一旦受到恐怖事件刺激，便會釋放神經傳導物質，並接力將關鍵訊號傳遞至大腦其他部位，乃至全身。

受到驚嚇時，起初可能產生數種不同的生理反應，包括嚇一跳、僵住等。如果判定眼前真的受到威脅，便會選擇戰鬥或是逃跑。此外，杏仁核還可引發腎上腺素飆升，或大量釋放葡萄糖至血液中，給予我們赤手空拳還擊的膽量。

如果這份恐怖並非源於實際的生理傷害──例如觀看恐怖片時，我們會忍不住像個小孩一樣尖叫──那麼腎上腺素對心跳與血壓的影響，僅會短暫提升能量和警覺性。杏仁核除了能讓我們在危險逼近時準備好隨時反擊，也能反過來調低大腦的反應程度，讓你恢復正常，只有偶而出糗時才引發臉紅的反應。

嚴格說來，恐懼是先天本能加上後天習得的混合反應。根據馬許的解釋，來自杏仁核的訊息會傳遞到腦部古老深處的「中腦導水管周邊灰質」。她表示這個區域會誘發人類在受到驚嚇時，不由自主地一跳及僵直。「正由於它屬於腦部古老的區域，因此我們很難控制這種反應。」

訊息同時會傳遞至下視丘，此區域將提高心跳速率和血壓、釋放體內的皮質醇與腎上腺素，並在必要時幫助我們做出戰鬥或逃跑的反應。

人類驚恐時的第一個反應多半是僵住。馬許繼續說道：「這種反應具演化意義，因為動作通常會引發掠食者攻擊。」如果這招行不通，下一步就是走為上策了，除非你選擇留下來正面迎擊。

從人類悠久的演化天賦而言，上述反應都十分合理。然而恐懼反應還包含了後天習得的部分。「在我們學會害怕某事物的過程中，也在學習對其夾帶的實質威脅感到恐懼，換言之即是我們學會找出實質威脅已迫在眉睫的訊號，」馬許說。

將恐懼反應分為兩類：與生俱來與個人習得，有助釐清科學家目前對於恐懼反應的歧見。行為科學家凱薩琳．彼德曼（Catherine Pittman）及伊莉莎白．卡爾（Elizabeth Karle）合著的《扭轉你的焦慮腦》（Rewire Your Anxious Brain）中，她們仔細觀察了身體應付恐懼的方式。書中首先區隔恐懼與焦慮。「焦慮是一種複雜的情緒反應，類似恐懼，」她們進一步解釋，「恐懼通常由當下某個明確、可識別的威脅引起；反之，焦慮則在無立即危險時產生。」

根據彼德曼和卡爾的發現，當焦慮「干擾了我們生活中重要的環節」時，問題便浮現了。這時焦慮會導致強迫行為、高頻率惡夢、過度放大生活中威脅的嚴重性，例如蜘蛛或狗吠聲。幸好，焦慮也是科學家探索的核心。「過去二十年來，全球許多科學家都投入關於焦慮的基礎神經研究。」

「研究揭示了重要的發現：大腦有兩條截然不同的路徑能產生焦慮。一條的起點為大腦皮質，」書中繼續寫道，「另一條則直接通過杏仁核。」簡言之，前一條路徑能產生思想，後一條路徑控制我們的情緒反應。兩位作者又指出：「杏仁核處理情感的方式會深深影響我們的行為。」

無懼的女人

我們先從一個案例開始探索杏仁核的運作方式。在此案例中，患者的杏仁核失去功能。根據《當代生物學》（Current Biology）期刊中的報告，科學家賈斯丁．費因斯坦（Justin Feinstein）的實驗團隊以一位罕病病患（匿名為SM）為研究對象。SM罹患有「局部雙側杏仁核病變」；研究者將她安排在置有活生生的蜘蛛與蛇的環境之中、帶她去鬼屋，並播放恐怖片給她看，然而「SM從未表現出一絲恐懼，她本人也認為自己能感受到的恐懼極小，」報告寫道。

「同樣的結果反映在一連串的自陳問卷、三個月的現實生活經驗取樣，以及充滿創傷的生活史中。」有趣的是，科學家發現除了恐懼之外，SM感受各種情緒的能力都完全正常。同時缺乏恐懼反應也不意味著她對這些測試冷漠無感。事實上，她興致勃勃。

「SM面對恐懼刺激物不是沒有反應，而是表現出高度興趣，但同時卻沒有任何警覺或迴避心理，」報告中寫道，「此外，SM不僅缺乏迴避心理，還往往伴隨著過度的探索行為。她自己說那是一種無法抗拒的『好奇心』。」

這也引發了另一個有趣的問題。假設無法產生恐懼反應的人能夠在可怕的情境下，改以興奮的態度面對，那麼對於那些飽受焦慮折磨的人而言，是否可視為自我訓練的契機和方法呢？

扭轉恐懼反應

2014年12月的美國《科學人》（Scientific American）雜誌詳細報導了哈佛大學科學家的一項研究成果。哈佛的研究人員發現，興奮反應和焦慮反應之間的差異其實比我們想像得小。心跳加劇、呼吸急促、思緒飛快都是焦慮和興奮皆有的反應，至於屬於前者還是後者則取決於受試者本身的選擇。

一篇2014年6月發表在《實驗心理學期刊》（Journal of Experimental Psychology）的報告中有一個實驗，實驗過程中給予受試者不同的指示：「有些受試者被告知在開始執行任務前保持冷靜，有些要讓自己興奮愉悅，而另一群參與者則沒有收到指示。」

從實驗結果中發現，反應會隨著指示而改變。「將焦慮視作興奮的參與者不但愈來愈興奮，執行任務的成果也較好。」研究人員指出，正面的激勵或許比冷靜更為有效。該報告的作者為哈佛大學商學院助理教授艾麗森．伍德．布魯克斯（Alison Wood Brooks），依據她的論點：「興奮以待能給你較多信心和能量，因而增加你想像中的正面結果成真的機會。」

類似的研究報告使科學家逐漸認為：大腦中發展出後天恐懼或焦慮反應的區域，可反過來重新改寫。

彼德曼和卡爾的實用指南《扭轉焦慮腦》致力於使「飽受焦慮或恐慌折磨的人擁有每日所需的勇氣，以便從經驗中找到改善之道。」兩位作者發現後天恐懼反應不斷影響著一個人的生活，紓解恐懼的選項是：持續將自己暴露在誘發因子中，才能改造反應。想當然耳，既然要面對最深層的恐懼，這個訓練過程無比艱辛。

「一分痛苦、一分收穫，」他們提醒，「你必須暴露在自己害怕的情境之中，充分體驗焦慮，如此一來才有機會改變反應。」

彼德曼和卡爾強調，最佳治療手段就是不斷刺激。「杏仁核學習的最佳狀態是當神經元受到刺激的時候，猶如鍛鍊肌肉的最佳條件是肌肉纖維疲勞時一般。同樣的道理，反覆練習將使你變得更加堅強。你可以將暴露於恐懼因子的訓練想像成杏仁核的健身，你的努力將漸漸強化杏仁核。」兩位作者指出，對受外顯恐懼反應所苦的人而言，練習過程雖然艱辛，但也會逐漸適應。

彼德曼和卡爾另外還列出各種生活型態的因子，都會影響恐懼反應。其中影響力最大的是睡眠。「要平息焦慮，你得抵抗任何干擾睡眠的因子。然而，焦慮卻往往讓人無法入睡。」

同樣重要的是運動和放鬆。「運動當下能減少焦慮，效果可以延長至數小時後。研究結果顯示，規律運動持續十週以上能降低一個人的整體焦慮程度。」

同理，彼德曼和卡爾在書中指出，學習肌肉放鬆技巧並勤奮練習，可縮短恐慌的時間，並降低發作機率。這對一到了深夜便思緒紛飛的人來說的確是個福音。只需一點訓練，加上良好的生活習慣，我們便可少一些對現實的質疑，多一些真正放鬆的休息，擺脫恐懼的束縛自然指日可待。

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015年05月號第28期