社交行為功能簡介:腦與心智(上)


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: 謝宛庭Wan-Ting Hsieh 鍾舜昌Shun-Chang Zhong 
: 科普人類行為

作者: Felix, WT. Hsieh

簡介
小妹:「嗨,小明,你今天看起來很開心。」 小明:「對呀,今天發生了一件有趣的事…」 從這簡單的兩句對話過程中,大腦處理了人臉辨識認知到對話者是小明、情緒辨識知道小明的情緒是開心、語言產生與小明進行



1. Human Face Recognition


1997年 Nancy Kanwisher發現大腦中一個區域對臉比對其他物體更有反應,並將其命名梭狀回(Fusiform Face Area, FFA)[1],在進行臉部視覺任務時較物品視覺任務的活化大。接著其他學者找到了其他處理臉部的區域,稱為枕下回(Inferior Occipital Gyrus,又稱為Occipital Face Area, OFA) [2]與顳上溝(Superior Temporal Sulcus, STS)。簡單來說,當臉部表情的影像出現在眼前時,此 FFA明顯活化; 而STS亦被稱為是第二個臉部特定區域處[3],像是五官的動作或情緒的表達,是由這區域所負責處理,因此這三個腦區構成了處理臉部視覺任務的核心區域。



其中FFA、STS與OFA之間的交互作用過程為:眼睛所見的影像會從視覺皮層傳到OFA跟STS,由OFA負責處理臉部的各個零件而STS處理臉部表情,接著OFA跟STS會呼叫FFA處理認知是它人臉孔的部分,而資訊便在這三個腦區彼此交互傳遞。另外其他區域像是Precuneus, Amygdala, ATL也有明顯活化的趨勢,其連結了人臉與情緒、記憶、社交與語言等功能,因此他們也便成了廣義的臉部感知網絡(Face Perception Network)的一環。

當人看見物體時,視網膜將訊息傳遞到視覺皮質,而視覺皮質劃分為V1至V5五個區域,其中V1的功能依照屬性分類顏色、方向、空間、位置,並將訊息傳至兩條路線:一是判別空間的背側路徑,另一個是識別該物體的腹側路徑,而人臉辨識與物體辨識走的就是腹側路徑。

當小美看到小明時,視網膜的訊息被送到視覺皮質並進入腹側路徑,接著便被送入OFA跟STS,由OFA負責處理臉部的各個零件,而STS負責處理臉部表情,接著OFA、STS呼叫FFA處理臉部認知的區域,而資訊便在三區域中交互作用。那OFA跟FFA的差別為何?有些科學家在實驗後,發現不論是正的臉還是反的臉OFA都會有相同的反應,而FFA對正的臉的反應比對倒的臉更為敏感。這代表OFA跟臉部的物理性質更為相關,例如臉部表情的識別不應該隨著鼻子眼睛的位置改變而產生辨識能力的差異,皆會有活化的反應出現,而FFA跟臉部呈現與臉部的知覺辨認較有關。


接下來我們將專注在討論FFA這個區域,講述科學家是如何發現FFA的:

1997 年Kanwisher想要尋找跟臉部認知有關的腦區,然而這並不容易,因為臉部認知是一個高自動化的過程難以用意志控制。想像一張熟悉的臉出現在你面前0.5秒但你卻被告知不能辨認這個臉是誰,只能專注在低階的視覺特徵上,這是極為不可能的事。因此Kanwisher想到一個方法,就是使用臉跟非臉的物體作為刺激物,並進行以下三個實驗:

ANOVA test: (epoch number X face/control X test)
-將原始的ROI時間序列強度轉為隨時間的改變量百分比(以同一個run下所有fixation的ROI平均值作為基準)
-接著將5個受試者在同一個測試下(ex: intact vs. scramble)將同一種刺激(face or control)的ROI平均計算,因此得出從下列PART I 到PART III 實驗中所有的face vs. control的比值,來衡量這個“臉部區域”對不同刺激的表現。

第一個實驗概略地篩選出臉部認知的腦區候選人,而此實驗使用的刺激物是臉和物體。由於臉部辨認是一個高度自動化的過程,因此人腦進行人臉辨識時進行的是刺激操作而非任務操作,而實驗觀察的結果顯示15人中有12人的右側梭狀迴呈現的活化狀態也為這個理論提供了佐證。因此,當臉部呈現在中央時,無論任務是什麼,所有與面部識別相關的過程都可能發生,呈現非面部刺激就是產生不發生這些過程的控制條件的最有效方式。



這是某位受試者的結果上方是看到臉的圖片時大腦的反應,下方是看到物體時大腦反應,綠色框起來的範圍代表顯著反應的腦區,右邊的訊號圖是BOLD signal。在深入之前讓我們先來介紹一下BOLD signal!



fMRI原理是利用磁振造影來測量神經元活動。根據血液動力學,神經元細胞在活化的同時會消耗氧氣,導致血氧濃度偏低,需要藉由神經細胞附近的血紅素運送氧氣過來。因此當神經細胞活化時,鄰近的血流會增加來補充消耗掉的氧氣,解決因神經元被激活的能量消耗。故血氧濃度相依對比(Blood oxygen-level dependent, BOLD)訊號值就此提升[4]
回到上圖,以刺激物為臉來說,若把BOLD signal值的變化話出來則像右圖,可以看到綠色區域(也就是face area candidate)對臉比較有反應,且對物體的反應則較低。


PART II: 對PART I 中5位有清楚FFA反應的受試者進行 PART II 實驗,共進行兩種stimuli測驗:

- 第一個實驗為受試者分別觀看完整的臉及拼湊的臉,目的在於確保由PART I 篩選出的這個“臉部區域”不是因為人臉有明暗差異而物體沒有。實驗希望選出的區域是對低階的臉部特徵有反應而非來自於非臉的刺激
- 第二個實驗為受試者分別觀看臉及房子,目的在於測試“臉部區域”是否涉及面部感知本身,而不是處理或區分同類別物體的不同處。




PART III:實驗選出PART I裡FFA有清楚反應的受試者,其中有兩個人與PART II 重複,並給他們觀看戴著帽子的3/4側臉及人手,目的在於觀察:

        (1)FFA對不同角度的臉會不會有概括性的反應
        (2)FFA對於面部的認知是否為基於頭髮或頭部其他特徵
        (3)FFA是否對人體其他部位或是有生命的東西有反應,因此以人手做控制變因

接著執行1-back 測試,理論上受試者判斷所看見的手是否為同一隻會比是否為同一張臉還要來得困難許多,因此前者所引發的注意力應至少與後者一樣多,藉此可以排除人的注意機制在處理臉部時有較大響應的說法。


2. Emotion Perception and Recognition



「看到喜歡的人心就會蹦蹦跳」,字面上來說以為是心臟在搞怪,但其實是大腦在玩的把戲。情緒是由大腦產生也由大腦主宰,雖然也會受到體內賀爾蒙影響,像是更年期,或是受到免疫功能下降影響,像是感冒的時候心情低落,不過賀爾蒙分泌及免疫功能同樣會經由大腦作用而影響情緒,所以接下來就來談談你的情緒腦吧[5]!

人的情緒出自腦內的邊緣系統(Limbic system),而邊緣系統是指由扣帶迴(Cingulate gyrus)、扁桃體(Amygdala)、海馬迴(Hippocampus)所構成的大腦結構總稱。

扣帶迴負責處理血壓、心跳、呼吸調節、決策、產生共鳴、認知等情緒;Amygdala負責處理莫名的恐懼、不安、悲傷、喜悅、直覺等情緒;海馬迴則是掌控來自眼、耳、鼻的短期記憶與資訊。



杏仁核就如先前提到的主宰快樂、憂傷、恐懼等各種情緒。作為情緒處理中心,移除掉杏仁核的病患對情緒臉孔辨識的能力會有所受損,尤其無法辨識恐懼的臉孔。而自閉症兒童的杏仁核有明顯的肥大現象,因此無法正常的管理情緒。

近年來,一些伴隨著情緒異常的精神疾病,也陸續被發現與杏仁核的體積或功能異常有關。Vermetten等人利用核磁共振方式測量15個人格分裂症女性病患以及23個女性健康者的海馬迴及杏仁核體積,比較後發現,此疾病的患者平均擁有較健康者小19.2%體積的海馬迴與小31.6%體積的杏仁核,明顯指出人格分裂症病患具有較小體積的海馬迴及杏仁核。Mosconi等人也針對50位患有自閉症與33位健康的兒童進行核磁共振,結果顯示自閉症兒童的杏仁核有明顯的肥大現象。這些研究結果都顯示,一旦杏仁核體積出現異常的萎縮或肥大,患者將無法正常控制自己的情緒。    另號稱新世紀三大疾病之一的憂鬱症,其部分病因也常是因為杏仁核的活化過度,不斷送出負面的情緒所導致。

科學家還發現前額葉和杏仁核之間有神經聯繫,而其重要的功能在於前額葉可調節或關閉杏仁核的情緒反應。Davidson等人的研究結果指出左、右兩側前額葉分別調節相反的兩種情緒,左側調節樂觀正面的快樂感覺,右側負責負面情緒如恐懼沮喪等。一般而言,當左前額葉活動時,除了會有興奮的感覺之外,還會抑制杏仁核的活性,降低負面情感的產生。

有些憂鬱症患者即是因為左前額葉無法正常運作,杏仁核異常興奮不受抑制,反而導致患者完全墜入恐慌、害怕等典型甚至嚴重的憂鬱狀態。鑑於杏仁核和情緒反應的產生有直接的關聯性,由杏仁核處下手,將是未來精神疾病治療的研究方向之一。


3. Language Processing and Production [6]


左腦通常掌管語言,而右腦掌管藝術(與情緒、創意等等),但此關係並非絕對,而是左右半腦皆負責了同一種功能運作,只是處理訊息的能力與效率是其中一半腦較為突出。因此從事語言活動時,左半腦的腦部電訊號活動比右半腦多,語言在實際的講話時,具備三個重要能力:(1)時間順序的判斷力;(2)分析能力;(3)處理快速而有次序的運動能力。

因左半腦具有這三種能力,而被利用來處理語言行為,進而產生了「語言功能偏向」的現象 (lateralization, 測化),然而左半腦下列四個區域有著密切的關係:



Broca Area (亦稱語言運動區):主要是協調說話時所需的肌肉,將知覺的感受轉化成運動形態,而後產生語言的內容和形式。
若該區域受到損傷,則病人常無法流利說話,發音不清晰,但語言內容和語意正常,這種現象稱為布洛卡失語症

Wernick Area (亦稱語言感覺區):負責儲存、解釋所傳入的語言跟文字記憶,配合文法規則的使用,是語言的了解中心。若此區域受到損傷,則病人雖然說話的語句流利且發音清晰,但是他們的說話幾乎沒有內容,這種現象稱為威尼克失語症

Motor Cortex:控制由自身控制的嘴部運動

Arcuate Fasciculus:Broca(運動區)與Wernick(感覺區)的傳導路徑,將字的音跟形由Wernick區傳入Broca區
若該區域受到損傷,因傳導功能較差,所以病人會有明顯的複誦障礙,但卻有不錯的聽覺和閱讀理解能力,這種現象稱為傳導型失語症

延伸閱讀
社交行為功能簡介:腦與心智(下)
社交行為功能簡介——人類神經系統概論


參考資料

[1]Kanwisher, Nancy, Josh McDermott, and Marvin M. Chun. "The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception." Journal of neuroscience 17.11 (1997): 4302-4311.
[2]https://blog.xuite.net/therapydna314/twblog/128351898-%E8%87%AA%E9%96%89%E7%97%87%E5%85%92%E7%AB%A5%E8%87%89%E9%83%A8%E8%99%95%E7%90%86%E6%A9%9F%E5%88%B6%E4%B9%8B%E7%BC%BA%E6%90%8D%28%E4%BA%8C%29
[3]Kanwisher, Nancy, Josh McDermott, and Marvin M. Chun. "The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception." Journal of neuroscience 17.11 (1997): 4302-4311.
[4]Logothetis, Nikos K., and Brian A. Wandell. "Interpreting the BOLD signal." Annu. Rev. Physiol. 66 (2004): 735-769.
[5]http://bml.ym.edu.tw/bmlab/247733221022823331263685236335.html
[6]http://mail.nhu.edu.tw/~society/e-j/59/59-13.htm



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