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科學人 3月號/2019 第205期

  • 雜誌名稱:科學人    新功能介紹
  • 刊別:月刊
  • 出版地區:台灣
  • 語言:繁體中文
  • 出版日期:2019/02/27
  • 定價:280
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優惠組合

 

封面故事

大腦這樣辨識臉孔
 
科學家發現,大腦中有專司臉孔辨識的區域,探索這些腦區的運作方式,能讓我們更深入了解視覺認知的神經機制。
 
撰文/曹穎(Doris Y. Tsao)
翻譯/鄧子衿
 
我讀高中的時候,某天在微積分課程學到,以一對微分方程式描述掠食者和獵物交互作用的模型,其結果便能畫成無數個封閉曲線,畫出來的圖由許多同心圓構成,類似箭靶。除此之外,這些曲線的密度會依座標位置而改變。
我覺得最後這個敘述非常奇怪。我可以輕易想像一組數量有限的曲線靠得非常近或是距離非常遠,但是數量無窮的曲線怎麼能在某個區域密度變高而在其他區域變低呢?後來我很快就學到「無窮」也有不同類型,有些類型的無窮具有矛盾性質,例如「希爾伯特旅館悖論」(Hilbert’s Hotel,旅館中的房間總是訂滿,但是一直能夠讓新客人住進來),以及巴拿赫—塔斯基蘋果悖論(Banach-Tarski apple,把一顆蘋果切成五份,然後重新組合成體積和原來蘋果相同的兩顆蘋果)。我花了很多時間鑽研這方面的數學證明,最後我驚訝地了解到,那只是運用數學符號得到的魔術,並不是現實世界會發生的結果,但我在那時便對這種現象產生了興趣。
後來我就讀加州理工學院大學部時,研讀了神經生物學家休伯爾(David Hubel)和瑞典神經科學家維瑟爾(Torsten Wiesel)所進行的實驗以及重大發現:腦中主要視覺皮質(primary visual cortex)從眼睛傳來的影像中提取出圖形邊緣的方式。這讓我想到在高中時期讓我深深著迷的事:想像不同類型的無窮大。但這和我高中時期所學的數學技巧不同。休伯爾和維瑟爾所描述的圖形邊緣是由神經元的活動產生,確實存在於腦中。我領悟到,視覺神經科學能讓我們了解到感知一條曲線時的神經活動。
這種體悟引發的興奮之情難以言喻。我相信生命中每個階段都有其任務,念大學時的任務就是做夢,找尋令人心動不已、值得終身投入的目標。事實上,這在科學研究中也是最重要的步驟:找到正確的問題。探索視覺認知這個難題讓我深深著迷,我開始研究腦中電生理活動的模式如何才能夠編碼成視覺中感知到的物體;不只是直線和曲線,而是如同臉孔那種難以嚴格定義的形體。要達成這個目標,需要找出腦中專門負責臉孔辨識的區域,並解析臉孔辨識功能的神經編碼:這種神經電衝動的模式讓我們能夠辨認出周遭的人。
這趟發現之旅始於哈佛大學,我在那裡念研究所,專攻立體視覺(stereopsis)。視覺中的景深來自於兩眼影像間的差異。某天我讀到目前任職於麻省理工學院的神經科學家坎維西爾(Nancy Kanwisher)和同事發表的一篇論文,他們使用功能性磁共振造影(fMRI)掃描人腦時發現,有一個腦區對人臉影像的反應比對其他物體的影像反應更激烈。我覺得這篇論文很奇怪,我總認為大腦是由類似基底核(basal ganglia)、額葉眼眶面皮質(orbitofrontal cortex)等功能不明確的結構所組成,我們仍處於探索功能的階段。大腦存在某個腦區專司臉孔辨識,這樣簡單的答案看起來不可能是真的。任何人都可以合理猜想臉孔辨識腦區的功能,它應該能描繪出我們認識的各個臉孔,以及表情與性別。
研究生時期,我應用fMRI找出猴子受到立體影像刺激時,腦中神經元活化的區域。我決定讓猴子觀看臉孔和其他物品的照片,比較猴子觀看臉孔和其他物體時的神經元活動時,我發現顳葉中有幾個區域在猴子觀看臉孔時才活化,特別是下顳葉(inferotemporal, IT)皮質區。1970年代初期,物體視覺認知領域的先驅、心理學家葛羅斯(Charles Gross)就已發現獼猴的IT皮質有專門負責臉孔辨識的神經元。只不過當時他認為這些神經元是隨機分散在整個IT皮質中,但我們的fMRI結果首度顯示,辨識臉孔的神經元可能只在IT皮質中的某些位置。
 

編者的話

千古石頭記
 
開學了,第一堂課是「大演化,大滅絕」,我挑了三塊石頭帶進教室。它們是見證地球46億年歷程的關鍵標本,同學們傳看著,也紛紛拿手機拍照留念。 
 
綠白紋相間的是來自中國河北省遷安的鉻雲母石英岩,我常炫耀這是塊亞洲最古老的石頭,有38億年歲月了。這說法並不精確,應該說是其內含的微小鋯石才有這麼老。鋯石是矽酸鋯結晶,堅硬耐風化,化學性質穩定,又內含放射性鈾,可以用鈾∕鉛法定年。最古老的鋯石產於澳洲的傑克丘(Jack Hills),有44億年老了,這也表示44億年前地球表面已冷卻,岩漿固化成地殼、海洋形成,準備迎接生命了。 
 
而已知最早的間接生命證據是在鋯石內發現的,那是一顆41億年老的澳洲鋯石,其中包裹著一小塊石墨,分析其碳12與碳13的比例,顯示它可能是生命有機碳的遺物。 
 
紅黑紋相間的是來自澳洲哈麥斯利嶺(Hamersley Range)的條帶狀鐵礦,氧化矽與氧化鐵間層排列,有24億年老了。這裡是全球最大的鐵礦區,面積達15萬平方公里,標誌著地球大氣由無氧到有氧的過渡階段。早期的地球並無氧氣,還原態的海水中溶有大量的鐵離子。當原始的藍綠菌把光合作用的副產物氧氣釋出後,海洋生鏽了,鐵離子氧化沉積成鐵礦。有可能是氧氣量的間歇變化造就了漂亮條帶。待海水中的鐵鏽光了,氧氣開始進入大氣,我們的真核細胞祖先才得以在地球現身。 
 
有著平行柱狀結構的石板是來自河北省薊縣的疊層石,有10億5000萬年老了。我是疊層石迷,我的「荒堂」蒐藏中有來自各種年代的40塊標本,疊層石曾經是活石頭,長在表面的藍綠菌分泌黏液,膠結住水中的礦物沙粒,晝夜與季節的成長變化就被記錄在細微層狀中。尋找地球上最早的細胞化石是古生物學界的聖杯,有些蛛絲馬跡就常被牽強解讀,隔不了多久又遭推翻否決。目前最受認可的世界紀錄是產於35億年前的澳洲疊層石,裡面封存著形似藍綠菌的化石痕跡。 
 
意猶未盡,請享讀這期「科學人書摘」推介的《改寫地球史的25種石頭故事》,摘錄章節的主角是天然磁石,地球磁場的歷次反轉都忠實記錄於天然磁石中。也請讀者們期待下期《科學人》,台灣傑出的定年專家、岩石獵人沈川洲即將再次發表力作。 
 

雜誌目錄

【關於封面】我們如何辨認臉孔?最新研究揭示其中關鍵:臉孔辨識神經元會由臉部骨骼所構成的形狀特徵和表面的外觀特徵計算出加權總和,然後產生反應。根據這些線索,或許你已經猜出封面女郎的神秘臉龐是來自蒙娜麗莎。
 
神經科學
30 大腦這樣辨識臉孔
文/曹穎(Doris Y. Tsao)
科學家發現,大腦中有專司臉孔辨識的區域,探索這些腦區的運作方式,能讓我們更深入了解視覺認知的神經機制。
 
特別報導
38 遲來的神秘湖生態管理
文/湯琇婷
位於宜蘭山林深處的神秘湖,擁有特殊的動植物族群與生態景觀,吸引遊客紛至沓來。但隨之而來的生態壓力與複雜的管理權責關係,考驗著神秘湖未來的命運。
 
物理學
46 量子纏結=超距作用
文/韓森(Ronald Hanson)、夏姆(Krister Shalm)
最近四個研究團隊的實驗結果「違反」貝爾不等式,粉碎了以合理方式解釋量子纏結的希望。
 
醫學
54 基因治療走出寂靜
文/馬隆(Dina Fine Maron)
基因療法經過無數次挫敗後,科學家應用基因療法治療失聽終於有了進展。
 
生物學
62 狒狒社會啟示錄
文/丹維斯(Lydia Denworth)
狒狒之間若能建立牢固的關係,似乎有助於克服生命早期逆境的負面影響。藉由觀察狒狒的群體生活,科學家結合演化與人類健康的研究,嘗試了解疾病的起源與預防方法。
 
考古學
72 幫人類化石做親子鑑定
文/海厄姆(Thomas Higham)、杜卡(Katerina Douka)
考古學家用現代遺傳分析方法鑑定化石骨頭的碎片,有助於回答一些關鍵問題,包括各個人種在何時何地彼此互動。
 
生命科學
80 與海蛇共舞
文/杜銘章
海蛇研究充滿冒險與驚奇,蛇類專家不顧自身安危也要找到海蛇洞,在水中與牠們漫游。為何海蛇有著如此致命的吸引力?
 
永續發展
84 阻止氣候變遷的最後7招
文/康尼夫(Richard Conniff)
目前全世界的減碳成效不如預期,使得暖化程度逐年上升,為避免人類面臨生存危機,我們必須開始從大氣中移除二氧化碳。
 
科學人觀點
8 冷凍留香:我的咖啡不走味 
文/曾志朗
 
總編輯的話
10 千古石頭記
文/李家維
 
12 讀者論壇
   
14 科學人新聞
評量動物性格
揪出合成尿液
來自星塵的沙粒
一覽世界科技進展
野生動物生態替身
跳躍起飛!
報案測謊器
創意感染力
呸!我認出你
仿生蝦眼相機  
 
形上集
23 愛因斯坦也沒轍
文/高涌泉 
 
教科書之外
24 實驗室外的陽光、排球與咖啡
文、圖/陳文盛 
 
數往今來
26 歡慶3.14
文/李國偉 
 
網上世代
28 資料共同管理新走向
文/莊庭瑞 
 
專家看新聞
94 阿茲海默症治療新策略
文/費立特(Howard M. Fillit) 
 
健康與科學
96 虛擬實境的願景
文/華立斯(Claudia Wallis) 
 
新創未來
97 市長的策略
文/羅許(Wade Roush) 
 
科學用於社會
98 嬰兒監視器監視誰?
文/涂費克奇(Zeynep Tufekci) 
 
反重力思考
99 書中自有「黃金」屋
文/米爾斯基(Steve Mirsky) 
 
生物手記
100 失落的水邊精靈──藍睡蓮
文/鄭仲良 
 
科學人書摘
102 地磁會倒轉!
文/摘自《改寫地球史的25種石頭故事》 
 
圖表會說話
106 太空垃圾滿天飛 
文/菲謝蒂(Mark Fischetti)、圖表/杜爾(Jan Willem Tulp)
 

內容簡介

《科學人》雜誌-全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎!身為全球科普雜誌的第一品牌,《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢,除生命演化及天文奧秘的探索外,也包括成就未來經濟創新的各種工具:「NBIC,Nano-Bio-Info-Cogno(奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技)」,及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外,台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上,藉由淺顯易懂的編輯呈現方式,帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年!15年來,在「廣」的方面,《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究;而在「精」的方面,《科學人》推出15週年特別獻禮:「博學誌」系列文集,滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問,時間為何物?(2016/9/20全新出版) 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦(2016/10/20修訂版)  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美(2016/11/20修訂版) 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活(2016/12/20全新出版) 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為(2017/1/20全新出版)金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀

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