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嗅出大腦的預測能力!人腦聞到的是期待,而不是真實

蔡宇哲
・2011/11/01 ・1000字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

你可能不知道,在你停下來去聞那朵玫瑰花之前,其實你的大腦已經將你感覺系統中相似的花香替你準備好了。最近一項由Northwestern Medicine所提出的新研究,證實大腦會使用預測編碼(predictive coding)來產出特定氣味的「預測模板」(predictive templates),而這樣的預測模板能在味道尚未對你撲鼻而來時,就會先為你設定一個氣味的心理預期了!

預測編碼的重要性是在於,它提供了動物(這理尤指人類)一個行為的優勢-能讓我們應對周圍環境中的刺激時,更加的快速且精確。

這項研究使用功能性核磁共振成像及邊緣切割、以區塊為基礎之分析法,來確定在腦部用以感覺氣味的嗅覺皮質中,預測編碼之存在。然而,在嗅覺系統中的預測模板給予現代人類的行為優勢似乎是不太明顯的,對此,Zelano認為我們通常忽略了嗅覺的重要性。

「假設有人拿了一罐牛奶並詢問你『這罐牛奶壞掉了嗎?』,除非你將自己的鼻子湊進去聞,否則你將沒有任何的視覺線索可以幫助自己去判斷。」Zelano說到,「我們的研究顯示,假設你的腦部能成功的形成一個壞掉牛奶的味道的模板,這樣會讓你在判斷牛奶是否發酸時更加的準確,也因此讓你少掉許多生病的機會。而這就是預測模板提供給我們的重要優勢!」

在這項研究中,受試者須在受到核磁共振成像掃描儀(MRI scanner)監測的同時執行「氣味搜索任務」,而被呈現的兩種氣味分別為:西瓜及類似於培樂多黏土(Play-Doh)的氣味。

在每個嘗試開始前,受試者會被告知兩個目標氣味中哪一個是他們需要去辨識的,且會以視覺方式呈現倒數計時,以提醒受試者即將開始準備接受一個特別且經管控過的氣味。在聞到氣味後,受試者須按下按鈕表示他們所想的目標氣味是否被呈現。在這項實驗中,有些時候目標氣味會被管控成相同於受試者所預測的,但有些時候又會被控制成不同於受試者預測的,甚至在有些時候,目標氣味還會被藏在眾多氣味之中。

研究者藉由觀察在氣味被聞到之前腦部活躍的區塊發現:在與目標氣味相同的嘗試中,活躍的腦區要比與目標氣味不同的嘗試相關性大得多。而本研究的資深作者Gottfried說:「我們發現以整體嗅覺皮質而言,我們可以看見它的確形成了特定於被鎖定的氣味的預測模板。」

預測模板早已在視覺系統中被證實,但這次對於人類嗅覺皮質中活躍區塊的時空演化的研究則是第一次。

編譯:劉怡青

外電連結:Northwestern University (2011, October 7). Sniffing out the brain’s predictive power: Human brain ‘smells’ what it expects rather than what it sniffs. ScienceDaily. link.

原始文獻:Olfactory Predictive Codes and Stimulus Templates in Piriform Cortex. link.

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蔡宇哲
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中正大學心理學博士,台灣應用心理學會理事長、「哇賽!心理學」創辦者兼總編輯。泛科學、幼獅少年、國語日報科學版……等專欄作者,著有《神奇的心理學》、《哇賽!心理學》、《用心理學發現微幸福》。 喜歡分享心理學,希望人人都可以由心理學當中認識真實的自己,也因此能夠更溫柔的對待他人。


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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_96
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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》