認知神經科學介紹

認知神經科學（cognitive neuroscience）在學術領域是一個以大腦神經為基礎，了解 認知心理過程的生物科學（Churchland & Sejnowski, 1992）。也就是在回答心理或認知 功能在腦中是如何產生運作的相關問題。認知神經科學是認知科學（cognitive science）

和神經科學（neuroscience）兩個領域結合而成的新領域，還涵蓋了生理心理學

（physiological psychology）、認知心理學（cognitive psychology）、神經心理學

（neuropsychology）等領域（Gazzaniga, Ivry, & Mangun, 2002）。

Gazzaniga、Ivry 與 Mangun（2002）在說明認知神經科學時，提及認知心理學有個 基本假設：生物無法直接感知（perceive）外在世界或是做出動作，而必須藉由大腦內 部的轉換和計算才會產生知覺、思考與行動。認知神經科學同樣建立在這個假設上進行 發展。簡單來說，認知神經科學是一個科學家力圖去了解大腦如何產生心智（mind）的 研究領域（Gazzaniga, 2010）。

認知神經科學的研究範圍，可以透過幾種方式區分：（一）以心智歷程的不同階段 區分，包含資訊如何獲得──感覺（sensation）、如何給予解釋以賦予意義──知覺與 再認知（perception & recognition）、如何儲存與修改──學習與記憶（learning & memory）、

如何反芻這些資訊──思考與意識（thinking & consciousness）、如何用來預測未來環境 狀態與行動結果──決策（decision making）、如何指引行為──運動控制（motor control）、

如何溝通──語言（language）。（二）以研究主題來區分，包含大腦結構與功能的發 展、大腦的可塑性、大腦的感覺系統與動作系統的運作、注意力、記憶 、語言、高級 認知功能、大腦的演化過程及原因，以及較新興的情緒與意識主題。（三）以研究方法 區分，大體分為兩類：一是臨床認知神經科學，包含腦傷、腫瘤、血管疾病、退化性或 傳染性疾病、癲癇等腦部損傷或疾病的研究；二是實驗認知神經科學，這部分以往主要 以動物實驗為主，但近期因為非侵入性影像技術的發展，所以人體實驗的研究也逐漸普 遍，讓我們得以直接觀察正在進行某些認知功能的大腦活動影像（韓承靜，2004）。

20 2.2.2 認知神經科學常用的儀器

認知神經科學依據其不同的研究目的與研究對象，在進行實驗時需要不同的觀測與 分析方式。例如進行分子層次的研究，使用生物學與生物基因工程實驗中較具破壞性的 神經解剖學方法（包含固定、切片、染色、追蹤神經通路等技術），以及腦損毀術研究 法（包含吸出、熱烙、電損毀法、藥物損毀法等等）。另外還有能研究單一神經元活動 的微電極、大電極，以及透過腦部電位變化來觀察人類認知活動的儀器（韓承靜，2004）。

隨著非侵入性觀測儀器的發展，其精準度與可信度都愈趨優良，目前以此量測人類大腦 活動已經是此領域相關研究最大量使用的實驗方法。以下便介紹幾種認知神經科學領域 目前常用的儀器，以及它們的量測原理。

腦電波儀（electroencephalogram；EEG）

大腦在進行活動時，活動的神經元（神經細胞）在內部電壓改變時會產生微小的電 場，使電波從腦部組織發射至頭皮。因此可以透過黏在頭皮表面的電極來測量這些電波

（見圖2-3），這種測量儀器稱為腦電波儀（EEG）。EEG在研究使用上通常是用來紀錄 事件相關電位（event-related potentials；ERP）。ERP是指在一個固定時間內與某個特定 刺激有關的電反應，例如聽到一個聲音後大腦的活動情況（Blakemore & Frith, 2005）。

因為EEG的一個電極會測量到多群神經元的活動，通常一次實驗至少要持續觀察20～30 分鐘以上，將訊號加以平均以利於分析。

圖 2-3 腦電波儀（EEG）的使用情形

圖為使用者戴上EEG的帽子，帽子上佈滿了偵測用的電極。

資料來源：Blakemore & Frith（2005）

21 腦磁波儀（magnetoencephalogram；MEG）

大腦神經元活動會產生腦電流。根據法拉第定律，有電流就會產生磁場。腦磁波儀 的原理即是透過對大腦磁波的偵測來了解腦中活動的情形。但是環境中磁場無所不在，

而且強度通常比腦磁場還強過數千至數億倍。因此腦磁波儀除了本身需要敏銳的感應器 之外，測量環境的磁場遮蔽性也要足夠。

雖然磁波量測的干擾度較大，但是磁場的遠距力不受介質影響。若是測量腦電波，

神經元產生的電場在通過腦脊髓液、頭骨及頭皮等組織後，電極所能偵測到的電位變化 會減弱。而磁場的傳遞過程不受組織構造的影響，只要能有效排除背景環境的雜訊，

MEG對大腦神經元的活動區域相較EEG更容易找出定位。而在使用上MEG免除了EEG 在頭上需要定位許多電極的繁複過程，因此有越來越多的研究改使用MEG來進行實驗

（Blakemore & Frith, 2005）。

圖 2-4 腦磁波儀（MEG）的使用情形

圖中受試者已經就MEG的使用位置，而旁邊兩位研究人員正在進行儀器的調整，整個量測 過程至少需要花費兩小時。

資料來源：Blakemore & Frith（2005）

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正子斷層掃描（positron emission tomography；PET）

正子斷層掃描所測量的是大腦內血流的體積和位置。量測前需要注射含有微量放射 性的顯影劑進入血管。當顯影劑經由循環抵達大腦時，便可藉由其放射出的正子偵測出 血流的位置。透過電腦程式計算出繁複的PET資料後，可將其轉換成彩色的立體影像，

以供研究者觀察大腦進行活動時，腦內血流量增加最多的區域。但因為PET需要注射微 量的放射性物質至人體，而後有不需要此步驟的腦造影技術（例如fMRI）出現後，有逐 漸被取代的趨勢（Blakemore & Frith, 2005）。

圖 2-5 正子斷層掃描儀（PET）

資料來源：臺大醫院核子醫學部陳建榮（2008）

功能性核磁共振造影（functional magnetic resonance imaging；fMRI）

核磁共振造影（MRI）是利用一個大圓柱磁鐵，在受試者頭部周圍產生一個環繞的 磁場，透過磁場送出磁波。因為腦中不同的結構有不同的磁性，感應器接受到由各種結 構發出的訊號後，經過電腦運算即可將這些訊號轉換成影像，不需要注射放射性物質。

而功能性核磁共振造影（fMRI）是利用帶氧血紅素的磁特性作為量測。當神經元被 激發時，需要藉由血液運來所需要的氧氣。因為氧氣具有磁性，fMRI可以偵測到這種帶 氧血液的血流量。透過fMRI的操作，研究者了解受試者在進行特定行為時，大腦內部的 活動動態（Blakemore & Frith, 2005）。

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圖 2-6 功能性核磁共振造影（fMRI）的使用情形 圖中的研究人員正在替受試者安放固定頭部位置的裝置

資料來源：Connelly（2008）

穿顱磁刺激術（transcanial magnetic stimulation；TMS）

穿顱磁刺激術（TMS）是利用磁性線圈在頭皮上產生適量的微弱磁波，使得腦內特 定範圍的神經元暫時性功能中斷。藉此來確認特定部位的腦區功能是否為某種行為表現 所必備的（Blakemore & Frith, 2005）。TMS設備如圖2-7。

圖 2-7 穿顱磁刺激術（TMS）的使用情形 資料來源：Blakemore & Frith（2005）

24 2.2.3 情緒的大腦反應區域

情緒是一個複雜的身心歷程。它由個體內在的生化機制以及外在的環境相互影響而 成，是身體的適應反應。情緒之所以存在不是因為要帶來有趣的經驗，而是為了要提高 生存機會。對人類來說，情緒基本上牽涉到生理覺醒、表達行為以及意識經驗（Myers, 2004）。

情緒和大腦中的哪些區域有關？這是近代認知神經科學逐漸在撥開迷霧的領域。藉 由對腦部損傷患者的研究，以及人類腦部活動造影的研究數據，得以發現情緒產生時大 腦神經電路活躍區域主要分為兩區：杏仁核（amygdala）及前額葉皮質（prefrontal cortex；

PFC）（Davidson & Irwin, 1999）。其中，杏仁核負責本能的情緒，而前額葉皮質則負 責認知的情緒。

杏仁核（amygdala）

杏仁核是位於顳葉（temporal lobe，大腦兩側的皮質區）前方的一個結構（見圖2-8）。

杏仁核負責快速且自動化處理情緒，特別是恐懼和痛苦等生存必須的情緒（Blakemore &

Frith, 2005）。在注意力產生之前，情緒事件的刺激（stimulus）會先經由杏仁核的處理，

進而影響知覺的感受。在結構上，杏仁核會率先接收到來自視覺皮質的視覺輸入（或其 他感官皮質的訊息輸入）。經過處理後，再將相關回饋傳送到其他區域做出反應（Dolan, 2002）。

圖 2-8 人類大腦的杏仁核 圖中紅色圓球狀即為杏仁核 資料來源：Scicurious（2009）

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杏仁核除了處理情緒反應，對於情緒記憶也相當重要。左右腦的杏仁核皆損傷的患 者，無法在事後喚起情緒項目和情緒事件。因為杏仁核會對情緒事件進行編碼（encoding），

沒有這個過程，便無法在事後進行情緒事件的存取（Dolan, 2002）。

前額葉皮質（prefrontal cortex； PFC）

前額葉皮質（PFC）顧名思義為額葉皮質（frontal cortex）的前段部分，對正面情緒 以及負面情緒的產生都是重要的區域。前額葉皮質除了左右半腦的區分外，還可以劃分 為三個子區域：眼額（orbitofrontal）、腹側（ventromedial）與背側（dorsolateral）（Davidson

& Irwin, 1999）。子區域之相對位置如圖2-9。

圖 2-9 人類前額葉皮質（PFC）的子區域 左圖：藍色為背側區，綠色為眼額區，紅色為腹側區 右圖：綠色為眼額區，紅色為腹側區，黃色為杏仁核

資料來源：Davidson & Irwin（1999）

過去以電波偵測大腦活動的研究發現，在經歷正面情緒時，左側前方（left anterior）

的PFC活化反應會增加；而經歷負面情緒時，則是右側前方的PFC活化反應增加

（Davidson & Irwin, 1999）。而後的研究透過電子斷層掃描的偵測，呈現更加立體的腦 部空間造影後，更明確指出產生負面情緒會使右側PFC的代謝速度增加，包含前眼額迴、

下額迴、中額迴及上額迴（anterior orbital, inferior frontal, middle frontal and superior frontal gyri）區域；至於產生正面情緒時，會增加左側PFC的代謝，但位置並不是非常對稱，

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較負面情緒活化的區域後方，是包含中央腦迴的前後區域（pre- and post-central gyri），

以及左側的伏隔核¹（left nucleus accumbens）（Sutton et al., 1997）。正、負面情緒除了 會活化不同側的PFC之外，相對也會減少另一側的PFC血流量。也就是說，當引起快樂

以及左側的伏隔核¹（left nucleus accumbens）（Sutton et al., 1997）。正、負面情緒除了 會活化不同側的PFC之外，相對也會減少另一側的PFC血流量。也就是說，當引起快樂