牵动你我神经──镜像神经为什么重要?
镜像神经元发现至今短短10余年,相关研究结果却充满了惊奇与意外。
阳明大学认知神经科学实验室从脊髓反应着手,看见其中的性别差异,并进一步寻找自闭症的脑神经标志。在这重要议题上,台湾也正在贡献「脑」力!
专访中央研究院院士阳明大学神经科学研究所教授 曾志朗
采访 许碧纯 摄影 凌鸿健
问:为什么镜像神经元是一个重要的发现?
关系的研究者来说,我们一直在找寻大脑里和学习有关的神经机制。学习是人类一个很重要的功能,人类没有学习就不可能应付这个世界。过去的研究认为,学习最基本的形式是动作A和动作B之间产生了某种联结,也就是说,当A刺激出现时,因为某个原因,B动作发生了,一旦B动作带来好处,往后只要看到A刺激,做出B动作的机率就会增高,这就是学习最基本的联结论。
答:对于做神经系统和行为比如把一只猩猩关在笼子里,偶然间,猩猩碰触到一条绳子,往上拉,门就打开了,猩猩原本也不懂得开锁,但胡乱一碰门就开了;第二次乱碰,又碰到,门又开了;慢慢的会发现,把猩猩再关进笼子后,它去拉绳子的时间会越来越缩短;到最后,你一把它关到笼子里,它就立刻去拉绳子。当猩猩尝试了很多碰撞笼子的方式,渐渐的,它会把那些不相干的情况排除掉,而专注在绳子这件事情上。猩猩经过尝试错误的历程,而学到了「拉绳子-开门」这个联结,行为就被塑造出来。无论是联结学派(古典制约)或行为主义(工具制约)所谈的学习,都一定要经过上述所说的外在动作、行为,才会做联结,进而学会;而观察学习(observationlearning)则认为,根本无需亲身尝试,也不需动用肢体,只要观察他人做法,有了行为的基模,在适当的条件下就能学会。
如今发现,在演化的过程上,有一群神经,只要透过感官的观察,就会主动去模仿外界生物的行为,个体根本不需要有外在动作,这可能为学习提供了很重要的神经机制,在界定「观察学习」这件事上,有了一个生理的基础。通常我们知道所有行为在脑里都会留下痕迹,但是这种观察学习的脑神经到底在哪里?镜像神经元系统就提供了非常好的神经机制,来解释这些现象。
问:您的研究团队正在进行镜像神经元的相关研究,您们对这个议题最关注的是什么?
答:除了解释学习的神经机制,对我们研究语音知觉的人,镜像神经元也具有非常特殊的重要性。语音知觉指的是,我听到别人发什么音,是因为我知道他的发音方式,当我看到某一个人发出语音的嘴形,而由于我知道当我自己的嘴形和他一样时,我会发出什么音,所以我知道他发的是什么音,这叫做语音知觉的肌动理论(Motor Theory of Speech Perception)。这个理论由耶鲁大学哈斯金实验室的利柏曼(A.Liberman)提出,在1970年代非常重要,但因为当时没有找到相对应的神经机制,大家认为好像不太可能。
语音知觉的肌动理论沉寂了将近20年,因为镜像神经元的发现,又重新被注意,如今大家认为它还是一个很重要的理论,应该好好研究。镜像神经为语音知觉提供了一个神经机制,当别人的嘴形在动,我的运动神经元也动起来了,我并不需要动用到我的喉咙,只要脑里有活动就能学习,也听得懂对方的发音。这个发现补足了利伯曼的理论,虽然现在他已经过世了。
说起来是蛮怪的!我吃红萝卜蛋糕,知道是红萝卜味道,是因为我知道怎么做红萝卜蛋糕,我知道我放了红萝卜是那个味道,所以我知道你做的时候也放了红萝卜。也就是说,我知觉你的蛋糕是什么味道,是因为我做过。但现在我的手虽然没有做过,我脑里的镜像神经元动起来就可以了。从一般的学习而言,镜像神经元让观察模仿有了神经机制,模仿(imitate)不一定要动手去做,只要脑神经动起来和它一样,我就会了。
语言为什么重要?它是来自社会群体为了社会生活的一致性和稳固性,经过无形的约定俗成而产生,在这其中,你必须了解别人在想什么,必须相互体谅,进而去推测和解释他人的行为,这就是所谓的心智理论(TheoryofMind),牵涉到的其实就是同理心,也就是镜像神经元提供的联结。
问:除了模仿学习、语言演化,镜像神经元还提供了神经科学哪些理论上的解释?
答:如同语音(speech)的判定一样,对情绪的感知(emotionalperception)也是一样,你如何知道别人在痛苦?一定是从他扭曲的表情、哭泣的声音、说话的抑扬顿挫中去感知。当别人有痛苦时,我看到他脸部的表情,我能不能感知那个痛的表情?我的脸扭曲得厉害,我当然知道那是很痛苦。当我看到别人笑的时候,我知道他笑,是因为我笑起来也是这样。这是同理心的基础。镜像神经元不只提供了知识的学习机制,也提供了情绪感知的学习机制。知识和情绪这两个笛卡儿的二元论,镜像神经元都提供了它们的神经机制。
问:您们的研究团队发现镜像神经元也有男女差异,这在研究上具有什么样的意义?
答:那个实验是让受试者观看用脚跟踏步、站立不动、脚尖踏步三种动作,然后去测量他们的镜像神经元系统的脊髓活性。脚尖跑得快、脚跟踏步稳,这些动作都是演化上让我们得以生存下来的动作。在观测外在世界,用脚表达,可能是在逃亡,也可能是在行走,脚是一种讯号,也是一种表情,因此在镜像神经元系统中是否能反映出来?会不会有男女差异?看起来两个问题的答案都是有。
女性在看手部动作时的镜像神经元较强。有一派学说认为自闭症患者是极端男性化大脑,也有研究者指出自闭症患者在观察别人手部动作时,其镜像神经元的主要运动皮质不会活化,和我们所发现的反映在镜像神经的性别差异,彼此应该是很有趣的呼应。
后来我们又使用MEG去测量男女受试者在观看手部动作和随意亮点时的镜像神经元反应,从中看到了性别差异,男性在随意亮点时的镜像神经元较强,而问:还有什么现象是镜像神经元可以解释的?
答:在很多生活现象上都可以提供解释,例如,为什么已经饱了还想吃,因为看人家在吃,神经就跟着在动!打哈欠也是,一个人打哈欠,另外的人容易跟着打哈欠,打哈欠是一种含有社会意义的讯号,符合众人的行为,当然有好处。其实,在一个团体中,跟着别人做同一动作,是比较不危险的,这都是生物能够生存下来的重要因素。
问:在镜像神经元的基础上,将来可能延伸出哪些研究?
答:自闭症和镜像神经元的关系,在几年前开始出现研究,自闭症患者无法认知他人意图、无法产生同理心,但是否与镜像神经元的缺失有关,还需要更多证实。我们的实验室正在根据理论和前人的观察去寻找自闭症患者的脑神经标志,尤其是在基因的层次上。
另外,在研究上,我们也正在进行一连串实验,探测镜像神经元的缺失是否和强迫性犯罪者有关?看见别人痛苦的脸,我们下不了手,但有些犯罪者看别人表情痛苦也不在乎,是不是他的镜像神经反应又更低了,以致感受不到他人痛苦呢?又例如,我们的研究发现,女性在镜像神经元的反应强过男性,呼应了自闭症患者是极端男性表征的说法;而威廉氏症小孩非常会观察别人的脸部表情,自闭症的孩子刚好不会,他们在镜像神经元的反应上,是否也有男女的差别?镜像神经元好像是把这些串在一起的神经机制,很多看起来不一样的现象,似乎都可以透过它来解释。
从一开始被当成只不过是「看人家吃饭喉咙痒」的发现,如今研究者发现,镜像神经元等于是各种学习的基础,这就是为什么它如此重要的原因。
反映在镜像神经的性别差异
文 许碧纯
你能否想像,在我们的大脑里有一组神经,只要观看到他人动作,便可自行模仿和学习,仿佛镜子投射出该行为?1992年义大利帕玛大学里佐拉蒂的研究团队从猴子身上意外发现了类似的有趣现象,后来在人类大脑里也发现这种神经元。
说意外,真有一段阴错阳差的故事。里佐拉蒂一开始研究的是大脑的运动皮质,尤其是掌管手及口部动作的F5区,他让猴子去执行不同的动作,例如抓取食物或玩具,从中观察它们脑神经变化。他发现每组神经元可对应到猴子手部不同动作,如抓握神经元、握住神经元、撕纸神经元。当时里佐拉蒂认为,动作本身并非由大脑运动皮质从上而下层层控制,即某块肌肉收缩、对应的大脑部位就活化,或某块肌肉放松、大脑对应的部位就抑制;动作应该是一个个的模型(template)所组成,就像去拿马克杯这个动作,是由伸手、握拳、拿起三组动作模型,依正确时序所完成。里佐拉蒂的论述有别于运动系统的观念,受到不少质疑,很多人认为他可能做错了,于是里佐拉蒂把实验交给学生去复制。
由于猴子珍贵,实验前,研究人员通常会把相关道具准备好,再进行实验。据说,里佐拉蒂的学生却错把猴子的脑壳打开,侦测量针也安装好了,才开始准备桌子、放豆子。当这位学生在摆放豆子时,发现猴子脑里竟兴奋了起来,就和它们自行取豆子时的脑部活动一样。另有一说则是,在实验进行中,一位研究人员贪吃伸手取了食物,猴子的脑神经兴奋了起来。总之,里佐拉蒂的研究团队排除了造成该现象的可能因素,如猴子是在未被察觉的情况下做了抓取动作,最后他们确认猴子确是透过观看,就在脑中真实呈现出该行为。
其实,早在1954年,法国研究人员便利用EEG去看人类大脑中的mu波,他们发现观看别人动作时,大脑的运动皮质会活化,但这篇以法文写就的论文,在以英文为主流的科学界,被忽略了将近50年之久。
里佐拉蒂团队的这篇论文因刊登在影响力不高的期刊,再加上被认为只是单一事件,也没有受到太多注意。经过四年,直到1996年,里佐拉蒂和另一位成员迦列赛同时发表了两篇论文,证实相同现象,并正式将这组神经元命名为镜像神经元,才引起大家重视。后来,他们陆续发表了相关研究,不只证实镜像神经元除了对他人动作的模仿与学习具有重要指标,还有对他人动作的意图和情绪的理解,也扮演了重要的角色。