2007/05/06

眼睛如何幫腦看?

 

                                                  2007/05/06 第92期 訂閱╱退訂 看歷史報份

科學頭條新聞 眼睛如何幫腦看?
發燒新鮮事 全球暖化到底有多嚴重?
科學家觀點 總編輯的話
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眼睛如何幫腦看?

視網膜處理資訊的能力遠超乎任何想像,竟然能同時上傳十二部不同影片給腦。

撰文╱魏布林(Frank Werblin)、羅斯卡(Botond Roska)
翻譯╱黃榮棋

人們對自己驚人的視覺能力太過習以為常,因此少有人會佇足思考,我們究竟是怎麼看東西的。數十年來,科學家將人類的視覺處理機具比擬成攝影機:眼睛裡的水晶體將入射光聚焦投射到視網膜的感光受器陣列。這些光偵測器神奇地將光子轉變成電訊號,沿著視神經傳送給腦處理。不過,我們兩人與其他人最近的實驗指出,這種比擬並不恰當。實際上,在眼睛的視網膜就已經執行了相當可觀的前處理,然後才將一連串各別的圖像資訊傳送給腦解讀。

這個令人驚訝的結論,來自我們對兔子視網膜的研究(我們的蠑螈實驗也得到類似的結果)。兔子的視網膜與人類很相似,看起來像一小片新月形的腦組織,跑到周邊器官(眼睛)中來直接面對外界。視網膜如何建構它所要呈現的內容呢?這些內容到達腦的視覺中樞時,「看來」會是個什麼樣子?又如何傳達真實世界的浩瀚資訊?這些呈現的內容是否透露什麼意義來幫助腦分析影像?這些不過是本研究才剛開始要回答的一部份重要問題。

總的來說,我們已經在視網膜深處找到了會投射堪稱為「12條影帶」(視覺世界的不同萃取)的特化神經細胞(神經元)。每一條影帶包含影像中某個面向的原始圖像,視網膜隨時會更新並傳送給腦。舉例來說,有一條影帶只會傳送描繪物體邊界的線條細節,另一條影帶只會傳送通常是某特定方向的運動,有些影帶則傳送有關陰影或亮部的資訊,其他影帶所傳遞的內容則難以分類。

每條影帶由視神經裡的專屬神經纖維傳送到腦裡的高級視覺中樞,在那兒進行更精密的訊息處理。(人類的聽覺系統也有類似的架構:每條聽覺神經只攜帶小範圍的音調訊息,再由腦整合。)研究視覺皮質的人指出,運動、顏色、深度與形狀等特性由各個腦區處理,特定腦區的受損會造成某種視覺特性的感覺缺失。但腦還能對這些特性有感覺,一開始還是來自視網膜的影片。

接下來幾頁的圖,將解釋視網膜如何創造超現實影像來告知腦子。我們持續研究,漸漸知道每一條影帶是怎麼做成的,但現在絕對還無法提供完整解釋;這12條影像包含了腦所需要用來闡釋視覺世界的所有訊息,但我們還不明白腦如何將這些資訊整合在一起。有可能影片只是個基本線索,充做某種鷹架,好讓腦建構思想。這個想法類似熟知的「心智之眼」,將小說裡的字詞編織成有意義的故事。

視網膜呈現的內容雖然看似完全捕捉了景象的視覺事實,像是餐桌、瀑布或說話的臉,但似乎還是缺了某些要素。這裡頭沒有任何與感受、態度、材質或景象重點有關的成份存在。也許這些特性多少就存在腦所解讀的影帶中,或者,也許因為我們用的是兔子的視網膜,所以沒找到所有人類視網膜可能會捕捉到的圖像,這種「高解析度」圖像或許能以尚不清楚的方式萃取出諸如感受這種特質。

不過,視網膜呈現的內容無疑形成一種視覺的自然語言,現在了解這種語言是非常重要的,因為世界各地的研究人員都想在視神經前面裝入人工偵測器,以取代視網膜,恢復盲人的視力。這方面的研究是有進展,但結果還很粗糙,所能傳送的訊息還只是模糊的基本圖樣。美國南加州大學杜漢尼眼科研究所已經在進行人體實驗了,韋恩州立大學醫學院也將要展開。這些實驗要達到最終的目標,可能還需要很久的時間。成功與否,在於是否能夠讓腦接收到類似正常視網膜會產生的活性樣式,也就是視覺的自然語言。後續的挑戰是了解如何將每種萃取出來的東西「連接到」恰當的視神經纖維。

要建造有效的義眼裝置,必先詳細了解視網膜裡影像的自然語言。同時,這種了解也能幫助研究人員更清楚眼睛與腦是如何共同看清世界、如何遭受錯覺愚弄、如何追蹤快速移動的物體,以及如何填補電視、電腦或露天電影連續播放的影像之間的空白部份。我們希望對視網膜前處理能力的描述,能讓我們更接近這個目標。more 

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全球暖化到底有多嚴重?
IPCC官方文件可能低估了氣候變遷問題

撰文╱比艾羅(David Biello)
翻譯╱林筱雯

全球氣候變遷的徵兆非常清楚:冰河融化、春天提早來臨、氣溫上升。事實上,過去12年中,有11年的氣溫登上了最熱年份排行榜。今年2月,跨國氣候變遷研究小組(IPCC)的科學家和外交人員在討論之後,發表了大眾期待已久的摘要報告。這份摘要報告認為全球暖化現象「非常顯著」,但卻刪去一篇有關暖化加速的參考文獻。IPCC剔除了引發爭議的內容,更限制資料只能來自期刊論文,結果完成了一份保守的文獻,它有可能低估全球暖化的效應,就跟該小組在2001年發表的報告一樣。

IPCC今年總計會發表四篇報告,由來自154國、超過2000位的科學家合作。已發表的第一份報告只檢驗氣候變遷的科學部份,報告的草稿由科學家撰寫,再由主要撰稿人分出章節,例如氣候變遷的歷史或區域預測等。在草稿階段,政府代表和其他審稿人提出的意見超過三萬則。最後,主要撰稿人和外交官在巴黎齊聚一堂,逐字審閱最後定稿,更改用字(例如用「非常顯著」取代「顯著」),或刪除爭議性的發現。

例如,在沙烏地阿拉伯和中國的反對之下,IPCC報告刪除了這個句子:人類活動對地球熱收支的影響,是太陽活動的五倍。主要撰稿人、英國里茲大學的佛斯特(Piers Forster)說:「比對歷史記錄,太陽現在對地表每平方公尺多輸出0.12瓦特,而人類活動留住的熱,每平方公尺有1.6瓦特。所以,其實影響差異有10倍之多。」

IPCC報告會這麼保守,其實也反應了氣候變遷科學的現況。許多模式採用不同的暖化腳本來預測海平面上升程度,預估結果從18公分到59公分都有。而且,這些模式並未完全把格陵蘭和南極的冰河融化列入計算,這兩個地方的冰都在陸地上,撰寫模式的氣候學家無法把陸冰融化寫成簡單的方程式(例如:多餘的熱量X=融化量Y)。格陵蘭和南極的冰河對海平面的潛在影響,可能比預估的更大。

格陵蘭的冰河正在融化,移動速度也加快了,然而變化卻不是線性的。例如位於格陵蘭東岸的康格隆薩(Kangerdlugssuaq)開始融化之後,冰河的質量降低,就無法推擠冰塊來加快冰塊移入海的速度。另外,根據美國華盛頓大學科學家霍華特(Ian Howat)的研究,冰河融化增加的流量,80%發生在一年之內,隨後冰河又回到平衡狀態。賓州大學的冰河學家艾利(Richard Alley)指出:「冰河正在融化,融化程度隨時間增加,目前冰河並不是海平面上升的主要原因,但它還是十分重要。」事實上,控制格陵蘭冰河的變數很多。艾利說:「我們正試著研究一頭離我們很遙遠、組成又很複雜的巨獸,這絕不是簡單的事。」more

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總編輯的話

撰文╱李家維 《科學人》雜誌總編輯、清華大學生命科學系教授

酒是極好的防腐劑,鳥獸魚蟲泡進70%的酒精溶液就不朽了,它連脆弱的DNA分子都能完整保存,原因是細胞會脫水,而細菌在裡面也活不了。酒又是人間極品,想那酡紅女子的流轉眼波和飽學文士的輕狂詩詞,莫不是這奇妙液體的傑作。

昨天我在中國山西博物院的文物庫房裡,賞玩著剛出土的西周酒爵,精美的工藝和寬大的容量,足證人類酖迷於此由來久矣。晚宴席中,大家一口乾了52度的杏花村汾酒,大讚其醇美。主人不久前訪問過台灣,笑談在台北喝58度金門高粱的豪情,眾人哪有什麼穿腸毒藥的顧慮?

人生多苦,酒能忘憂,原是好事,但不能過量,有了酒癮似乎就和頹唐人生劃上等號。個人的酒量差異實在不小,有人能連碗大口灌,有人卻一沾唇就滿臉紅通通。本期〈酒癮會遺傳嗎?〉中,美國印第安納大學的能柏格和華盛頓大學的彼拉特為我們細說根由。我讀了才知道容易上臉的人是真不舒服,他們體內的乙醛量會過度累積,發熱、心悸和虛弱感讓他們不能享受酒的浪漫,也就遠離了上癮的危險。我喝起酒臉不改色,自恃是好酒量,原來自己竟可能處在危險群中。酒癮是個複雜的疾病,有過半可歸諸於遺傳因子,科學家抽絲剝繭已找到近10個和沉溺杯中物相關的風險基因,這就開啟了預防和治療之道,未來將可對症下藥,幫助高風險群擺脫那可能的宿命。

近幾年,台灣人的快樂指數明顯下降,相伴的是急劇上升的酒癮比例。在〈酒癮不只是遺傳〉一文中,中央研究院的鄭泰安和國家衛生研究院的羅爾維指出,從基因組合來看,漢人喝酒後比較容易臉紅、噁心,因此我們原本應該少有酗酒問題,然而台灣人的酒癮罹患率在過去18年間卻大幅增加,去年我們進口的蘇格蘭威士忌已位居全球第六。兩位作者對這個趨勢的發展相當憂心,尤其是原住民的死亡竟然至少有一半和飲酒相關。

世間萬物只有人類喝酒,因此生命演化不曾、也來不及幫我們解決這問題,在萬靈丹問世前,就只有靠社會規範了。但這又是何其難,東方人喜以指沾酒讓孩童吮,說可練酒量,而美國18歲以下的年輕人不能沾酒,卻可赴戰場殺人。問酒為何物,仍是風雅與墮落的難題。more  

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