Hugo Future Imperfect Slim

PikaPei

Research Assistant in CCLo's Lab

Pei

Proposed Model

想像身處一望無際的汪洋、亦或是浩蕩的草原,無論朝何處看去,景色皆一成不變,若非透過日月、星空等等,很可能迷失其中。因此,對於建立空間方向感,參考景物有其必要性,其中,邊界是重要的參考物之一,例如牆壁、山崖、海岸線,邊界可讓我們認知空間大小,且成為獨特標的物,增加我們的導航能力。究竟如何處理空間中的邊界資訊呢?加州大學洛杉磯分校的研究團隊發現,人類特定頻率的腦波會在接近邊界時增強,無論是本人或是看到其他人靠近皆有相似的結果,說明對於二者邊界感知可能採用同一套機制,研究成果發表在Nature期刊。

以顱內腦電圖記錄內側顳葉腦波

人類研究固然不像其他動物實驗,可以任意插入電極,而是邀請正在接受植入式裝置治療的癲癇患者作為受試者,這個裝置將電極置於內側顳葉(medial temporal lobe, MTL),此位置為癲癇好發之處,透過即時偵測腦波,當發現異常時,就以主動刺激方式予以治療。而內側顳葉也和空間導航高度相關,因此可以藉由此裝置,得到在不同實驗情形下,人類顱內腦電圖(intracranial EEG, iEEG)資料並進行分析。

實驗任務

實驗任務分為以下兩種:

  1. 個人導航任務:受試者在空間內走動(如Fig. 1a 中的Walker,此時並沒有Watcher在房間內),受試者由耳機接收指令。(a) 首先,指令先要求受試者走到可看見的特定目標(Visible cue,可見之目標物平均貼於四周牆上,圖中僅顯示其中之一)。(b) 到達特定目標後,再去尋找隱藏目標(Hidden goal,受試者已先行記憶起隱藏目標位置,不只一處,圖中僅顯示其中之一)。
  2. 觀察他人任務:受試者坐在一個角落(如Fig. 1a 中的Watcher),觀察一名工作人員在房間內走動的路線,受試者被要求當工作人員靠近隱藏目標時(受試者已記憶其位置),按下手中按鈕。

Fig. 1. 實驗任務示意圖及實驗結果示意圖。圖片出自[2]。

Fig. 1. 實驗任務示意圖及實驗結果示意圖。圖片出自[2]。


內側顳葉腦波測量結果

實驗結果顯示,當受試者接近邊界時,內側顳葉中的theta波(約為8-12Hz)強度會增強(Fig. 1b Walker-黑色線段,對應到Fig. 1a 代表行進路線的黑色線段),而位於空間較中間時,theta波強度較小(黃色線段)。特別的是,受試者所處狀態也會影響腦波,實驗中當受試者尋找隱藏目標時(黑色線段),theta波強度會大於受試者只是往可見目標前進(藍色線段),作者說明:可能因為尋找隱藏目標對於空間記憶的要求較高。

除了個人任務,當受試者觀察工作人員時,theta波也會因為工作人員靠近邊界而變強,並且theta波變強僅出現在工作人員靠近隱藏目標時。

綜上所述,theta波強度變大會發生在接近邊界、且進行需要空間記憶的找尋隱藏目標任務時,而且即使自身並未行動,僅觀察他人時此現象也會發生。

結語

過去在小鼠的研究中有發現到邊界細胞,此類細胞會在靠近邊界時活性升高,但腦電圖測量的是神經元群體活性,非單一神經元,因此不同神經元如何整合呈這篇實驗結果,仍有待未來研究探索。除此之外,真實世界依舊複雜太多,正常情況下,自身和其他人會同時運動,而且一個空間下會有多個人存在,那麼此時大腦如何編碼空間資訊呢?期待未來的實驗會告訴我們答案!

原始論文:

Stangl, M. et al. Boundary-anchored neural mechanisms of location-encoding for self and others. Nature 1–6 (2020) doi:10.1038/s41586-020-03073-y.

參考文章:

  1. 腦機介面監測腦波來治療癲癇 ! NeuroPace集資7400萬擴大市場銷售
  2. Brain rhythms that help us to detect borders

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