探索人類的大腦

Posted by Mr. Thursday

人類每天可以聽、說、讀、寫,觀察週遭的環境,做出適當的反應。從小事情到大事情,我們每個人也不時都在做出決定。人類的智力、情緒、以及意識,是如何產生的?從人類會開始思考的時候就在開始找尋答案。從古代的哲學家開始,辯論和思考後,提出了各種想法,像是身心問題(Mind-Body Problem),就是在思考人類是否分為身體和靈魂兩個部份?還是說事實上只有心靈存在,我們的身體和週遭的一切,其實是我們的靈魂想像出來的?還是有第三種的可能,也就是說只有物質存在,包括人類的身體在內,而靈魂只不過是人體的細胞進行生物化學反應後,產生的一種現象呢?

到了近代,開始有比較科學的方式來探索人類心智的問題。所謂比較科學的方法,就是國中的時候學習過的方法:觀察、假設、實驗、推翻假設或成為定理。心理學是比較早開始研究這部份的領域。心理學家會先提出一個假設,然後設計實驗,實驗結果經過統計檢定以後,推翻原來的假設或是證實原來的假設。譬如說人類的記憶力是否有長期和短期記憶之分?心理學家做了這個假設之後,就開始設計實驗,像是產生一堆隨機產生的單字,和學習過的英語單字完全沒有關聯,然後讓受試者接受測驗,背誦這些單字。之後再記錄受試者幾小時以後,記得多少單字;一、兩天後,記得多少單字;一個禮拜以後,又記得多少單字。如此實驗,讓每一個受試者都接受測試,然後記錄每一位受試者的實驗結果。接著,就用統計檢定來證實人類的記憶力確實有一個曲線,隨著時間會慢慢遺忘部份的事情。

在這邊稍微提一下統計檢定:統計檢定是為了證實某個假設而使用,因為我們無法讓全世界的人類都接受實驗,就從全世界人類中,抽取有代表性的幾位受試者,由這幾位受試者的實驗結果(像是他們忘記單字的速度),結合機率的理論(像是常態分佈),來決定是否有足夠的信心,可以由抽樣的實驗結果中,證實原來的假設。譬如說我們今天假設辦公室每通打進來的電話平均長度大於一分鐘,我們就觀察一段時間,記錄這段時間裡,每一通打進來的電話談話的時間長度。之後我們計算這些抽樣的結果,也就是紀錄裡面,每一通電話長度的平均值,譬如說可能是1分鐘20秒。接下來我們做一個和原來要證明的假設相反的檢定假設(統計裡面稱作null hypothesis),如果我們能夠證明,這個相反的假設是錯的,哪麼我們原來的假設(每通電話的平均長度大於1分鐘),就是對的了。在這邊,相反的假設就是:平均通話時間等於1分鐘。接下來,我們要應用一些機率的東西來推翻相反的假設,首先我們再次假設電話通話長度是常態分布,也就是中間值的機率比較大,極少和極多兩端出現的機率比較小,接者把樣本平均值(1分20秒)減去假設的平均值(1分鐘)。這20秒的差距再和常態分布對照,結果得知20秒的時間差距,在常態分布裡面,會在很右邊的位置(如下圖,是一張常態分布的圖,y軸是機率,x軸是通話時間平均值減去一分鐘後的時間差距值,我們抽樣的數字計算出來的結果,會落在右邊機率小的區域),也就是說,有極大的信心區間,可以推翻相反的假設(推翻平均通話時間等於1分鐘的假設),因此證實原來的假設(通話時間平均值大於1分鐘)

normal distribution

稍微提一下統計檢定,還是提了這麼多。所以我把參考資料列在下面,留給有興趣的讀者有時間再慢慢研究了。

回到人類心智的探索,在心理學之後,醫學透過人類解剖,生物學透過對動物的解剖上,也開始做出相關的研究。譬如說受傷的礦工被一根鐵柱穿過頭腦,卻奇蹟似的活了下來,但是受傷的部份:大腦前額葉(prefrontal cortex),卻對這位工人造成了一些影響,包括這位工人的個性,以及做決定的能力。生物醫學在這方面,就是透過受傷的病人,反推大腦哪一個部份負責哪一種功能。隨著醫療儀器的發展,磁核共振影像(MRI: Magnetic Resonance Imaging),也讓心理學更進一步,讓測量的資料更多,也讓測量資料更接近人的大腦,因此能夠證實更多和大腦實體相關的假設(像是負責記憶力功能的大腦區域),而不僅僅是行為上(記憶力,通話時間的長度等等)的假設了。

在1953年James WatsonFrancis Crick發現了DNA雙螺旋結構,開啟了日後的分子生物和生物化學的發展,讓我們除了大體的觀察,更進一步到分子細胞層次的觀察。有了更詳細的觀察,我們對大腦的認識就更加詳細了。像是之前提到的長期記憶,在細胞裡面是透過細胞膜電位的LTP(long-term potentiation),去調節基因的表現(gene regulation),產生新的蛋白質,進而改變神經的連結方式,最後就造成人類的長期記憶。這一部分也是我目前正在努力的目標,不過也需要一些基礎知識才能夠前進。因此日後我會慢慢對這部份做介紹,包括LTP和gene regulation等等,我都會從一般大眾的知識程度開始,慢慢建築生物化學方面的知識,期待最後大家或多或少,都能夠對這些知識有所了解。我會努力講到各位都看的懂為止的,期待下一次與各位分享吧!

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