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大腦的可塑性-《不是青春惹的禍》

天下雜誌出版_96
・2015/07/04 ・2560字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

「近側發展區」內的經驗會改變大腦

之前我把大腦中的迴路比喻成家裡的電路,這多少可以幫助我們了解大腦的構造,但大腦迴路和電路這兩者之間有一個重大的差異。家中的電路使用的次數愈多,就愈容易耗損,需要替換,但你的大腦裡的迴路卻正好相反,你愈常啟動你腦內的某個迴路,它就會變得愈強固。這是因為在受到同樣經驗的反覆刺激之後,迴路中的神經元彼此之間的連結會大量的增加。

最著名的例子是研究人員對倫敦的計程車司機所做的一項調查。這些司機必須通過倫敦街道的詳細測試之後才能拿到執照。研究人員在反覆掃描他們的大腦之後,發現他們在受訓期間腦部負責地理資訊記憶的部位中的灰質變多了,也就是說那裡的神經元之間的連結增加了。

換句話說,我們每次做了一件事情(例如有了某個特定的想法、產生了某種感覺、從事某個舉動或記住市區街道的地圖),那些使得我們可以做這件事的神經元之間的連結就被強化一次。所以我們練習得愈勤,事情就會變得愈容易;我們看到某些物體的次數愈多,就愈能夠認出它們來。這也是為什麼我們研究某件事物會有助我們記住相關的資訊,並且在需要用到的時候能夠想起來。大腦掌管這些行為的迴路會因為我們一次又一次的使用到它而逐漸增強。

大腦的可塑性不僅會增強我們使用到的迴路,也會淘汰我們沒有用到的迴路。當一個大腦迴路未被使用時,它的神經元之間的連結就會愈來愈弱。軸突會收縮,細小的分枝會相繼凋亡,結果突觸便會逐漸消失,往往到最後整個迴路都不再存在。這個過程叫做「突觸修剪」(synaptic pruning)不妨想像兩座村莊之間有一座丘陵起伏的草原,上面有幾百條小路連結這兩座村莊。但後來人們發現其中一條路最直,於是大家便愈來愈常使用這條路,結果它就變得愈來愈寬,也被踩得愈來愈深(就像是一個被經驗增強的大腦迴路),而其他小路則因為再也無人行走而雜草叢生,結果最後就消失不見了(這就像是一個突觸已經被修剪掉的大腦迴路)。

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大腦中的神經連結。(Credit: Radu Jianu/Brown University)

被修剪過的大腦部位如何不同於沒有被修剪過的大腦部位? 沒有被修剪過的大腦部位像是許許多多狹窄的泥土路所組成的公路系統,被修剪過的大腦部位則像由少數高速公路所形成的高效率路網。

經驗也會影響髓鞘的形成,使得迴路不僅更有效率,也更持久。當我們練習某件事、學習某種新技能,或增強某種認知能力的訓練時,這個活動就會刺激大腦內的相關部位(對職業鋼琴家而言,指的是負責手指動作的部位;對雜耍表演者而言,則是負責手眼協調的部位),使它的白質增生。在這方面的研究當中,最著名的幾項乃是針對肢體動作(如表演雜耍拋接和彈鋼琴等)所進行的。研究結果都顯示:練習會導致髓鞘的形成。但近期針對認知能力(如記憶和冥想)所做的研究也證實:一再重複同樣的動作或行為會刺激髓鞘的生長。

大腦在經驗的刺激下表現出的高度可塑性使得我們能夠學習並增強各種能力,包括最基本的能力(如記憶)以及非常高階的能力(如自我管理)。

這是大腦可塑性的核心。不僅是「不用則會荒廢」,同時也是「用了就會增強」,無論在哪個年齡都如此,但在成年期之前更容易確實達成。

不過,關於「用了就會增強」,其實有一個很重要的條件。光是重複某種動作或行為並不能有效的刺激腦部產生改變。為了要充分利用大腦的可塑性,我們對大腦所做的要求必須超出大腦原先所具有的能力。唯有在「我們能做到的事」和「我們要求自己做到的事」之間有一點點差距,才能刺激腦部的發展。如果兩者之間沒有距離或距離過大,這樣的發展就不可能發生。

優秀的父母和教師都知道該如何在所謂的「近側發展區」,最有可能促進孩童或青少年的腦部成長的區域施力,採用「鷹架支持」(scaffolding)的過程逐漸增強青少年的技能。我將會在之後的章節說明「鷹架支持」理論。

強化腦部的過程就像去健身房做重量訓練一樣。你可以日復一日用同樣重量的啞鈴來練習,維持一定的強度,但如果你想變得更強壯,你就需要增加啞鈴的重量或舉重的次數。同樣的道理也適用於我們的神經迴路。

我們經常聽到一句話:人要花一萬個小時才能專精某件事情。但很少人提到這一萬個小時必須用在刻意的練習上,而且這樣的練習必須要逐步提高難度,讓相關大腦系統面臨更大的挑戰。光是一再重複同樣的活動而沒有增強它的難度,這樣的做法不會有多大的效果。

但要記住:大腦中具有可塑性的部位會隨著年齡而不同。即便在「近側發展區」,經驗對大腦所造成的改變也並非在各個年齡都一樣。因此,最有可能在青少年期發展、增強或減弱的能力和那些會在其他年齡發展、增強或減弱的能力並不相同。青少年期之所以重要,不僅是因為此時的大腦具有可塑性,也是因為此時具有可塑性的部位與其他年齡不同。

 為大腦奠定日後改變的基礎

大腦受經驗的影響而改變的能力固然令人刮目相看,但它還有更令人矚目的地方。近年來,科學家們發現有些經驗不僅會在當下造成大腦的變化,還會提高日後大腦發生改變的可能性。這個現象被稱為「超可塑性」。換句話說,可塑性實際上會招致更多的可塑性,而且這種現象不只發生在直接受到經驗影響的那些迴路而已。事實上,一個大腦迴路改變後,會造成一些化學反應,使得附近的另外一些大腦迴路也會具有可塑性,就像你在熟記歐洲各國的首都之後,不僅能更快記住其他幾洲國家的首都,也會更容易記住那些和地理毫不相干的事物,例如美國歷屆總統的姓名或乘法表等等。

科學家們已經發現一項非常令人振奮的事實:在大腦可塑性較高的期間,學習某種新的事物可以使得後續的學習變得較為容易,似乎最初的學習會幫大腦打下基礎,使得之後的學習變得容易一些。這意味著:在大腦可塑性較高的期間(例如青少年期),人們如果能夠持續接觸新奇而具挑戰性事物,他們的大腦可塑性或許就可以維持比較久的時間。換句話說,在大腦具有可塑性的期間,我們之所以需要接觸新奇而具挑戰性的事物,不僅是因為我們要藉此獲得並增強一些技能,也是因為這樣才能使得大腦繼續保有能夠從未來的有利經驗中獲益的能力。這是為何聰明人的敏感期(大腦可塑性特別高的時期)比那些不聰明的人更長的緣故。

 

立體書封1 (1)

本文摘自泛科學2015七月選書《不是青春惹的禍:了解10~25歲孩子的大腦潛能,成功從教養開始》,天下雜誌出版。

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資訊量過大啦!我們其實不擅長處理複雜的資訊?——《生物轉大人的種種不可思議》
商周出版_96
・2023/11/21 ・1330字 ・閱讀時間約 2 分鐘

誰不接受多樣性?

我們的成長方式具有多樣性。有人長得快,有人長得慢;有人長得高大,有人長不高。這種多樣性是「生物的策略」。不過有個東西並不接受多樣性。就是我們的大腦。

人腦不善於處理複雜的訊息。

有一個法則叫做「神奇數字七法則」,意思是:人類一次頂多只能記住七樣東西。

這是真的嗎?我們來試試看。

請記住以下插圖,限時三十秒。

接著再看下面的圖,什麼東西不見了?

答案是不倒翁。為什麼明明十樣物品也不多,我們就是記不住呢?

再來試試下一題吧。

雖然超過七個圖,但是這一題可能大家都記得住,因為這些圖都與《桃太郎》的故事有關。先找出關聯性,再加以歸納整理,大腦才有辦法勉強記住超過七樣東西。

大腦不擅長處理太多資訊

記憶圖畫或許比較困難,試試看數字吧。

請記住旁邊的數字,限時五秒。

怎麼樣? 是不是太簡單了點!

下面這一組數字呢? 也是限時五秒。

上面這一題是不是也太簡單了!

下一組數字呢? 限時同樣五秒鐘。

如何?

前兩題應該可以輕輕鬆鬆記住,但是第三題就比較不容易了吧?

你知道第三題有幾個數字嗎?

答案是八個。

只有八個!

人類厲害到發明了電腦,我們優秀又傑出的大腦照理說應該能理解一百、一萬,甚至一億個數字。然而實際上,人腦必須費盡力氣才能記住兩隻手數得完的數字。我們的大腦本質上不擅長處理「大量」的資訊。

理解「大量」的方法

如同上述的例子,當題目是文字(圖像)時,只要歸納出《桃太郎》的故事,我們的大腦就更容易理解。

那麼數字呢?

我們來看看下面的數列。

把亂七八糟的數字排成一列,是不是就好記很多?

如果再排成下面這樣呢?

這次是依照數字的大小排序。

我們可以看到「3」有兩個,而 1 到 9 中間缺少了「7」和「8」。經過排列和整理順序之後,人腦就比較能夠理解這些資料。我們的大腦最喜歡把東西排成一列或排順序。學校排成績也是這樣的關係吧?

——本文摘自《生物轉大人的種種不可思議:每一種生命的成長都有理由,都值得我們學習》,2023 年 8 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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瀕死大腦的最後波紋——人生跑馬燈的科學證據?
YTC_96
・2023/08/09 ・2578字 ・閱讀時間約 5 分鐘

最後波紋。圖/imdb.com

JOJO 的奇妙冒險中,西撒.安德里歐.齊貝林臨死前的「最後波紋」代表著生者最後的思念與力量,是讓 JOJO 粉痛哭流涕的名場景。最後的波紋看似只是作者荒木飛呂彦大師的創作,沒想到神經科學家記錄了瀕死的人類大腦的活動,發現死亡的當下出現有節律的高頻波紋。這些波形和做夢、記憶回憶以及冥想期間發生的腦電圖相似,也彷彿說明最後的波紋是真的存在!

此外,據說人在彌留時能瞬間看到過往的種種回憶,就像人生跑馬燈般快速回顧一生。這些在生死間徘迴所產生的不可思議現象一直是科學家們感興趣的議題。究竟心臟停止後的瀕死狀態(near-death experience (NDE))和大腦活動與意識狀態的關係是什麼?大腦在瀕死狀態時發生了什麼?這是否又能解釋人生跑馬燈的現象呢?

神秘的瀕死經驗

根據瀕死經驗科學研究的奠基者,且有瀕死經驗科學研究之父之稱的布魯斯.葛瑞森醫師(Bruce Greyson),瀕死經驗是一個深刻的主觀心理經驗,通常發生在接近死亡的人身上,處於嚴重的身體,或情緒危險的情況下。這種體驗超越個人自我的感覺,是一種神聖或更高原則的結合。包括脫離身體、漂浮的感覺、完全的寧靜、安全、溫暖、絕對溶解的體驗和光的存在。又甚至可能經歷包括痛苦、空虛、毀滅和巨大空虛的感覺[1-3]

瀕死體驗中反復出現的常見元素是看到一條黑暗的隧道,經歷明亮的燈光,寧靜祥和的感覺。該圖為荷蘭畫家耶羅尼米斯·波希 (Hieronymus Bosch) 的Ascent of the Blessed。圖/wikimedia

即時記錄瀕死的人類大腦活動

過去認為心臟停止後大腦是低活動的狀態,直到約 15 年前左右(西元 2009 年),才記錄到死亡前電流激增(end-of-life electrical surges (ELES))的現象。 但這些紀錄僅來自回溯瀕死期間的測量值,並不是即時記錄臨終患者腦電圖[4]

大約 10 年前,密西根大學研究員吉莫波吉金(Jimo Borjigin)和其團隊進行老鼠實驗,發現在心臟停止後的前 30 秒,gamma 振盪與 alpha 和 theta 之間的相位耦合在大腦皮質與心臟,以及大腦前端和後端的連接性有增加的現象。這些神經振盪原本都只存在於清醒的生物上,但在瀕死狀態下,這些高頻神經生理活動卻超過了清醒狀態下的水平[5]。 這也說明了在動物在臨死前可能經歷了特殊的體驗。

第一次在人類大腦進行從瀕死到死亡過渡階段的連續腦電圖記錄,則在去年 2 月發表在「老化神經科學前沿」( Frontiers in Aging Neuroscience)。愛沙尼亞塔爾圖大學的勞爾維森特(Raul Vicente)博士及其同事使用連續腦電圖檢測一名 87 歲的患者癲癇並同時進行治療。雖然很遺憾,最後患者心臟病發作並去世了,但他們測量了死亡前後 900 秒的大腦活動,並調查心臟停止跳動前後 30 秒內發生的情況。結果發現,就在心臟停止的前後,出現了 gamma 振盪、theta 震盪、alpha 震盪以及 beta 神經震盪的變化。這結果就和之前的老鼠實驗相當類似[6]

在瀕死狀態下,這些高頻神經生理活動卻超過了清醒狀態下的水平。 這也說明了在動物在臨死前可能經歷了特殊的體驗。圖/ Pixabay

瀕死之際大腦活動激增能否解釋人生跑馬燈?

雖然以上的研究說明,人在死亡前大腦會產生類似清醒狀態時才有的腦波反應,但這些證據並不足以證明人生跑馬燈的存在。為了證實這個現象的可能性,之前提到進行老鼠實驗的吉莫波吉金(Jimo Borjigin)在人類使用相同的計算工具來分析腦電圖信號,並關注腦電圖功率的時間動態、低頻和高頻振盪之間的局部和遠程相位-振幅耦合,以及所有頻段的功能性和定向大腦皮質連接。簡單來說,就是想要知道瀕死時人類大腦和意識以及認知功能相關的腦區是否產生變化。

他們對四位已陷入昏迷的病人進行紀錄,在死亡前,兩名在前額和中央皮質區出現廣泛的 beta 和 gamma 波增加。這兩名病人隨後出現了顳葉中反復出現的大型 beta 和 gamma 波活動,並涉及到體感皮質(somatosensory cortex, SSC)。高頻 gamma 波的振幅與慢速 beta 波的相位之間的關聯是發生在背外側前額皮質(dorsolateral prefrontal cortex)和體感皮質之間。更值得注意的是,gamma 波激增的位置是在和意識緊密相關,由顳葉-頂葉-枕葉皮層組成的後皮質熱區(posterior cortical hot zone)[7]

一名 24 歲昏迷婦女在移除呼吸器後的的腦電圖變化。
S1:該婦女有呼吸器維持生命,因心臟驟停引起缺氧損傷。
S2: 開始時移除呼吸機,此時出現高頻和高振幅活動。
患者的最後一次心跳發生在右側的 S11 末尾。圖/National Library of Medicine

受限於道德倫理以及醫學技術,科學家們無法直接驗證瀕死大腦產生的腦波狀態是否就是產生瀕死經驗。但至少能確定的是,哺乳動物的大腦可以在瀕死時產生與增強的意識處理相關的神經關聯。

結論

《論語‧先進篇》子曰:「未知生,焉知死?」雖然孔子曾說,活人的事情道理都還不明白,又怎能清楚死亡是怎麼一回事呢?但探討人在生死間徘徊的現象不僅僅是一個科學問題,更代表著意識研究、臨床應用和倫理議題的突破。

透過更精細且長時間的腦電波紀錄追蹤,有許多證據觀察到在人們跨越生死那一瞬間,大腦會試圖做最後的掙扎。人生在世短短數十載,轉眼間便煙消雲散,瀕死的大腦在跨越生與死那鴻溝之前的體驗也是人生謝幕前的最後一次演出。

從瀕死經驗探討人性的電影-別闖陰陽界(Flatliners)。圖/IMDB

參考資料

  1. Greyson, B. (2000). Near-death experiences. In E. Cardeña, S. J. Lynn, & S. Krippner (Eds.), Varieties of anomalous experience: Examining the scientific evidence (pp. 315–352). American Psychological Association.
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Bruce_Greyson
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Near-death_experience
  4. Chawla, L. S., Akst, S., Junker, C., Jacobs, B., and Seneff, M. G. (2009). Surges of electroencephalogram activity at the time of death: a case series. J. Palliat. Med. 12, 1095–1100. doi: 10.1089/jpm.2009.0159
  5. Borjigin, J., Lee, U. C., Liu, T., Pal, D., Huff, S., Klarr, D., et al. (2013). Surge of neurophysiological coherence and connectivity in the dying brain. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 14432–14437. doi: 10.1073/pnas.1308285110
  6. Vicente R, Rizzuto M, Sarica C, Yamamoto K, Sadr M, Khajuria T, Fatehi M, Moien-Afshari F, Haw CS, Llinas RR, Lozano AM, Neimat JS and Zemmar A (2022) Enhanced Interplay of Neuronal Coherence and Coupling in the Dying Human Brain. Front. Aging Neurosci. 14:813531. doi: 10.3389/fnagi.2022.813531
  7. Xu G, Mihaylova T, Li D, Tian F, Farrehi PM, Parent JM, Mashour GA, Wang MM, Borjigin J. Surge of neurophysiological coupling and connectivity of gamma oscillations in the dying human brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 May 9;120(19):e2216268120. doi: 10.1073/pnas.2216268120.
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從大學部到博士班,在神經科學界打滾超過十年,研究過果蠅、小鼠以及大鼠。在美國取得神經科學博士學位之後,決定先沉澱思考未來的下一步。現在於加勒比海擔任志工進行精神健康知識以及大腦科學教育推廣。有任何問題,歡迎來信討論 ytc329@gmail.com。

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只要將大腦上傳到電腦中,複製出另一個你,就可以實現永生嗎?——《千腦智能新理論》
星出版
・2023/06/28 ・1983字 ・閱讀時間約 4 分鐘

假設在未來某個時候,我們有能力瞬間取得在電腦中重新創造一個人所需要的全部資料,假設我們的電腦有足夠能力模擬你和你的身體。果真如此,我完全不懷疑基於電腦的大腦會有意識和知覺,就像你一樣。但這會是你想要的嗎?也許你正在想像下列這種情境。

假設我們的電腦有足夠能力模擬你的身體、意識和知覺,這會是你想要的嗎?圖/Pixabay

你正處於生命的盡頭,醫師說你只剩下幾個小時的生命。此時你按下一個開關,你的大腦隨即一片空白。幾分鐘後,你醒過來,發現自己活在一個基於電腦的新身體裡。你的記憶完好無損,你覺得自己恢復了健康,展開新的永恆生命。你大喊:「耶!我還活著!」

現在想像一個稍微不同的情境。假設我們有技術可以複製你的生物大腦而不影響它,現在你按下開關之後,你的大腦被複製到一台電腦上,而你沒有任何感覺。幾分鐘後,電腦說:「耶!我還活著。」但是,你,那個生物你,還是存在。現在有兩個「你」,一個在生物身體中,一個在電腦身體中。電腦那個你說:「現在我已經上傳了,不需要原本那個身體了,請把它處理掉。」生物那個你說:「等一下,我還在,我不覺得有任何改變,我不想死。」我們應該如何處理這個問題?

解決這個難題的方法,或許就是讓生物那個你度過餘生,自然死亡。這似乎很合理。但是,在生物你死亡之前,世上有兩個你。生物你與電腦你會有不同的經歷,因此隨著時間推移,兩者漸行漸遠,變成了不同的人。例如,生物你和電腦你可能會發展出不同的道德與政治立場,生物你可能會後悔創造了電腦你,而電腦你可能不喜歡有一個生物老人聲稱是自己。

在生物你死亡之前,世上有兩個你。隨著時間推移,兩者漸行漸遠,可能會發展出不同的道德與政治立場。圖/Pexels

更糟的是,你很可能會有壓力在你年輕時就上傳你的大腦。例如,想像一下,電腦你的智能健康,取決於大腦上傳時生物你的智能健康。因此,為了盡可能提高你的永生版本的生活品質,你應該在你心智健康最好時上傳你的大腦,譬如 35 歲時。你可能想在年輕時上傳大腦的另一個原因是,你以肉身活著的每一天都有可能意外死亡,因此失去永生的機會。因此,你決定在 35 歲時上傳自己。

請捫心自問:35 歲的生物你在複製了自己的大腦之後,可以安然殺死自己嗎?隨著你的電腦版本展開自己的生活,你(生物你)則慢慢衰老、最終死去,生物你會覺得自己已得到永生嗎?我認為答案是否定的。「上傳你的大腦」是個誤導的說法,你真正做的是把自己分裂成兩個人。

現在再想像一下,你上傳了你的大腦,然後電腦那個你立刻複製了三個自己。現在有四個電腦你和一個生物你,這五個你開始有不同的經歷,漸行漸遠。每一個你都有獨立的意識,你是否已得永生?那四個電腦你,哪一個是永生的你?生物你慢慢衰老、邁向死亡,看著四個電腦你過各自的生活。這裡沒有共同的「你」,只有五個個體,雖然起初有相同的大腦和記憶,但隨即成為獨立的存在,此後過著不同的生活。

想像一下,你上傳了你的大腦,然後電腦那個你立刻複製了好幾個自己,每個都有獨立的意識和不同的經歷,哪一個才是永生的你?圖/Pixabay

也許你已經注意到,這些情境與生孩子相似。當然,最大的不同是你不會在孩子出生時,上傳你的大腦到孩子的腦袋裡。然而,我們可說是在某程度上試圖這麼做,我們把家族史告訴孩子,教導他們,希望他們建立和我們一樣的道德觀和信仰。藉由這種方式,我們將我們的一些知識轉移到孩子的大腦裡。但隨著他們長大,他們會有自己的經歷,成為獨立的人,就像你上傳大腦產生的電腦你那樣。

想像一下,如果你能把你的大腦上傳給你的孩子,你會這麼做嗎?如果你這麼做,我相信你會後悔。你的孩子將背負你的記憶,終其一生將致力忘記你做過的一切。

上傳大腦乍聽是個極好的主意,誰不想得永生呢?但是,藉由上傳大腦到電腦中來複製自己,其實無法實現永生,就像生孩子無法實現永生那樣。複製自己是開出一條岔路,而不是延伸原本的路。開出岔路之後,會有兩個擁有知覺和自我意識的存在,而不是只有一個。一旦你意識到這一點,上傳大腦的吸引力就會開始減弱。

——本文摘自《千腦智能新理論》,2023 年 5 月,星出版出版,未經同意請勿轉載。

星出版
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