大腦感覺皮質的重組,一點也不隨便

■當視覺皮質開始接收與處理聽覺訊息,或當聽覺皮質開始接收與處理視覺訊息,會繼續維持原本就存在的功能劃分嗎?

圖片來源:Stefan Malmesjö (CC BY 2.0)

撰文|林雯菁

大腦裡面有所謂的感覺皮質區,不同的感覺皮質區接收、處理、傳遞不同類型的感覺訊息。例如眼睛看到的視覺訊息,會被傳送到視覺皮質區;耳朵聽見的聽覺訊息,會被傳送到聽覺皮質區;皮膚被碰觸所產生的觸覺訊息,則是會被傳送到體感覺皮質區。可是,這是有可能被改變的。例如:盲人的視覺皮質被發現能夠接收聽覺或觸覺訊息;聾人大腦內原本應為聽覺皮質所在的位置,被作為接收視覺或觸覺訊息之用;還有,即使是視力未受損的人,在歷經長期、大量的特殊訓練後,也開始仰賴視覺皮質來處理點字閱讀時手指頭所接收到的觸覺訊息。當上述情形發生時,我們稱之為皮質重組(cortical reorganization)。不過,感覺皮質重組似乎並非隨意進行,而是遵循著一定的規則。

當我們更仔細地去觀察每一個感覺皮質區時,可以發現不論是從功能上或是從結構上,都可以將它們做更細緻的切割。舉例而言,在雙流理論(two-streams hypothesis)當中,視覺訊息會經由腹側流(ventral stream)與背側流(dorsal stream)兩個通道傳遞至其他大腦區域。兩者皆始於初級視覺皮質區,但兩條通道往不同的方向走,當然各自所參與的功能也不同。一般認為背側流參與處理「看到的東西在哪裡」、「該怎麼去拿這個東西」的訊息,腹側流則可以讓我們知道「我們看到的究竟是什麼」。前面提過,盲人的視覺皮質可能會接收、處理聽覺或觸覺訊息。研究更發現,盲人視覺區的背側流會被用來處理聽覺或觸覺的空間訊息,腹側流則被拿來做聽覺、觸覺的物體辨識或點字閱讀。也就是說,即使視覺皮質被用來處理其他感覺訊息,原本精密的分工卻是不變的。

除了視覺皮質的例子,還有其他類似的例子嗎?

在一項新研究中,研究者召集了一群天生就聽不見的聾人作為實驗參與者,想知道當人類使用聽覺皮質來處理其他感覺訊息時,原本聽覺皮質內的功能階層是否仍會保留。更具體一點來說,當我們在處理聲音的節奏或韻律時,需要仰賴高階聽覺皮質(high-level auditory cortex)內的特定區域。那麼當聾人在處理視覺刺激的韻律時,是否也會使用高階聽覺皮質的這個區域?

這樣講或許太抽象,我們可以實際來看看這個實驗是怎麼進行的。首先,實驗參與者除了天生就聽不見的聾人以外,還有一群非聾人參與者。兩群參與者都必須在功能性磁振造影儀(fMRI)內做完一個「視覺韻律辨識」的作業,非聾人參與者還要額外做一個「聽覺韻律辨識」作業。這個「聽覺韻律辨識」作業的內容是研究者依序撥放兩組聲音,每組各由數個長短不同的嗶聲組合而成,因此每組聲音各有其韻律。參與者必須在聽完兩組聲音以後,判斷這兩組聲音的韻律是否相同。例如:嗶──嗶╴嗶──嗶╴嗶╴嗶──;和嗶╴嗶╴嗶──嗶──嗶╴嗶──,這兩組聲音的韻律是不一樣的。而「視覺韻律辨識」作業則是採用相同的邏輯,只是把聲音換成閃爍的亮點(見影片)。如同「聽覺韻律辨識」作業,參與者必須判斷第一組畫面與第二組畫面的韻律是否相同。

 

果然,當聾人在辨識視覺韻律時,會動用到高階聽覺皮質區(主要是Te 3這個區域的外上側),但是沒有聽覺障礙的參與者並不需要使用這個區域來進行視覺韻律辨識。而且,這個區域也正是非聾人參與者在進行聽覺韻律辨識時所仰賴的區域。

聾人進行視覺韻律辨識時,會用到顳葉的高階聽覺處理區(箭頭所指處)。但是非聾人在執行同樣的作業時並不會使用這一區,反而是在進行聽覺韻律辨識時才會。圖片取自Bola等人2017原始論文。

這樣的實驗結果表示,原本被設計成用來接收聽覺訊息的聽覺皮質,因為神經具有可塑性再加上大量的練習後,雖然能夠接收其他種類的感覺訊息(在這個例子中是視覺),但原本負責高階處理功能的區域,依舊繼續負責高階功能的處理(在這個例子中是原本負責聽覺韻律處理的區域,變成負責視覺韻律的處理)。

總結來說,一種感覺皮質中預設好要負責某特定工作的區域,就算是在因緣際會下處理起另外一種感覺訊息,也還是會維持原本的職位,負責預設的工作內容。

 

參考文獻:

  1. Bola, Ł., Zimmermann, M., Mostowski, P., Jednoróg, K., Marchewka, A., Rutkowski, P., & Szwed, M. (2017). Task-specific reorganization of the auditory cortex in deaf humans. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(4), E600–E609. https://doi.org/10.1073/pnas.1609000114
  2. Siuda-Krzywicka, K., Bola, Ł., Paplińska, M., Sumera, E., Jednoróg, K., Marchewka, A., … Szwed, M. (2016). Massive cortical reorganization in sighted Braille readers. eLife, 5, e10762. https://doi.org/10.7554/eLife.10762

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作者:英國倫敦學院大學(UCL)認知神經科學博士。研究人類行為的腦神經機制。喜歡在《Wen-Jing的科學文獻報告》上與大家分享地球上最新的科學新知。

 

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