缺乏視覺經驗讓盲眼數學家的大腦產生了什麼樣的改變?

■長期缺乏視覺刺激輸入的視覺皮質,竟然跟數學扯上關係!這是怎麼一回事呢?

圖片:Max Pixel/CC0

撰文|林雯菁

科學家約於1970年代末期發現,長期缺乏特定感覺訊號輸入的大腦感覺皮質,會開始處理其他類型的感覺訊號。舉例而言,盲人的視覺皮質可被用以處理聽覺或觸覺訊息(請見<大腦感覺皮質的重組,一點也不隨便>一文),而聾人的聽覺皮質也能被用來處理視覺韻律甚至是人臉辨識。不過在上述例子中,重組之後的感覺皮質所負責的工作仍然屬於較單純的知覺作業,它們有沒有可能被挪用來進行更困難或更複雜的功能──比方說,算數學──或甚至更高難度的功能呢?

在一個實驗中,位於約翰·霍普金斯大學Marina Bedny教授的實驗室募集了一群自出生時便全盲的成年人參與實驗,並比較他們和視力正常的對照組在進行簡單的代數作業時,大腦的活化有何差異。

在實驗當中,參與者必須進行〔代數判斷作業〕和〔語意判斷作業〕兩種作業,兩者都會以聲音呈現。代數判斷作業是這樣進行的:參與者在每一題之中都會聽到兩個等式,例如「7-2=x」以及「6-1=x」,而他們必須判斷這兩個x是否相等。語意判斷作業則是聽兩個句子,例如「美美踢了小狗一腳」 和「小狗被美美踢了一腳」,然後判斷兩個句子的意思是否相同。實驗於功能性磁振造影儀(fMRI)中進行,所以研究者可以記錄參與者在進行代數判斷和語意判斷時的腦部活動變化。在事後分析資料時,只要把〔代數判斷〕和〔語意判斷〕兩者的大腦活化狀態相比較,便能排除單純負責判斷意義異同的大腦區域,留下專精數學處理的區域。

其實過去研究便已指出,我們在進行比較數量大小、辨識數字、進行數學運算時,都必須仰賴大腦中包括前額葉和頂葉等數個特定區域(frontoparietal number network)的合作。而這個實驗所發現的結果也是如此。不論是盲人或對照組的參與者,當他們在進行代數判斷時大腦所活化的區域,都比他們在做語意判斷時多使用了頂內溝(intraparietal sulcus,簡稱IPS)和背外側前額葉。但是,盲人組比對照組還多使用了視覺皮質的一部分(middle occipital gyrus,簡稱MOG)。而且,盲人的MOG和IPS也顯現出功能性連結、MOG本身的反應強度也和參與者的作業表現好壞有相關。

也就是說,盲人的視覺皮質除了可能被用來處理聽覺、觸覺等其他類型的感覺或知覺訊息以外,也可能被用來進行較為不一樣的作業,像是代數運算。

除了簡單的代數作業以外,盲人在思考相對高深艱難的數學問題時是否也會使用枕葉的視覺皮質呢?

人類除擁有理解數量和操弄數字與數學符號的能力以外,還具備基本的幾何概念,甚至能夠進行抽象、複雜的數學思考。但是,這些理解和探究高深數學的能力,是怎麼發展出來的? 有人認為,這奠基於人類的語言能力,例如語言學界的泰斗喬姆斯基(Noam Chomsky)便是其中之一;也有人認為,這起源於基礎數學和空間能力。這兩種解釋其實並不互斥,只不過近年來的幾項研究發現,人類在思考高階數學問題時所動用的大腦區域,和我們在使用語言時所需要的大腦區域幾乎毫無重疊,反而和我們在判斷數量、做簡單的加減乘除、和使用基本的空間能力時所使用的大腦區域有很大的重疊。

而一項由法國科學院院士史坦尼斯勒斯.狄漢(Stanislas Dehaene)教授的實驗室所發表的研究顯示,盲眼數學家在進行高階數學問題思考時,也會使用枕葉的視覺皮質。

該研究的參與者包括三位眼盲的數學家(數學教授或全職數學研究員),其中一人出生便全盲,其餘二人則分別於10歲、11歲時失去視力。另外還有二十位明眼的數學家也參與了實驗作為對照組。和前面所介紹的實驗不同,這個實驗中所使用的數學問題都比較困難,且每個問題皆以陳述句的形式出現,例如「康托集合的邊緣等同於集合本身」、「在一個偶維度的球面上,任一個向量場必有零點」注1。在所有的陳述中,正確、錯誤與毫無意義的句子各佔總數的三分之一。而參與者的任務便是聆聽並判定每個陳述究竟是正確、錯誤、或是無意義的。這些陳述涵蓋了數學當中的相關分析學(analysis)、幾何學(geometry)、拓樸學(topology)、代數學(algebra)等四個數學分支。除了數學陳述以外,實驗中也使用了非數學的陳述讓參與者判斷,以作為對照用。例如「直布羅陀是世界上除梵蒂岡外最小的國家」、「巴黎地鐵的建造年代較伊斯坦堡的早」注2,而這類句子一樣有真、偽、無意義之分。

研究結果顯示盲眼數學家和明眼數學家在做這些高階數學陳述判斷時,相較於他們在判斷非數學陳述時,皆仰賴頂內溝、前額葉、以及顳下葉(inferior temporal regions)等區域。而盲眼數學家又多了部分的枕葉皮質,和前面介紹的實驗結果相似。

本文所介紹的兩個研究結果都顯示,長期缺乏視覺刺激輸入的視覺皮質不但有可能被用來處理其他種類的感覺訊息,還有被用來進行數學運算、數學問題思考的可能!

 

注1:此處兩個例句的原文分別為“The boundary of the Cantor set equals itself.”以及“Any vector field on an even-dimensional sphere vanishes.”。承蒙臺灣大學數學系張海潮教授惠賜這兩個範例和數學專有名詞的中文翻譯,特此感謝。

注2:文中四個陳述範例的正確答案如下:

康托集合的邊緣等同於集合本身-正確;
在一個偶維度的球面上,任一個向量場必有零點-正確;
直布羅陀是世界上除梵蒂岡外最小的國家-正確;
巴黎地鐵的建造年代較伊斯坦堡的早-錯誤。

 

參考文獻

  1. Amalric, M., & Dehaene, S. (2016). Origins of the brain networks for advanced mathematics in expert mathematicians. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(18), 4909–4917. doi:10.1073/pnas.1603205113
  2. Amalric, M., Denghien, I., & Dehaene, S. (2017). On the role of visual experience in mathematical development: Evidence from blind mathematicians. Developmental Cognitive Neuroscience. doi:10.1016/j.dcn.2017.09.007
  3. Ansari, D. (2016). The neural roots of mathematical expertise. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(18), 4887–4889. doi:10.1073/pnas.1604758113
  4. Kanjlia, S., Lane, C., Feigenson, L., & Bedny, M. (2016). Absence of visual experience modifies the neural basis of numerical thinking. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(40), 11172–11177. doi:10.1073/pnas.1524982113

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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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