2012年3月19日 星期一

神經科學的起點,就從一隻蟑螂腳開始吧!

人進入小學階段,會開始有不喜歡的科目。根據我粗淺的了解,小朋友們不喜歡的科目主要是數學,再則是英文,然後還會有自然和國語。再根據我粗淺的猜測,小朋友不喜歡某個科目,多半不是因為其缺乏理解該科目的能力,而是學習的過程中遭遇了障礙。

學習的障礙包括:學生上課時不專心或精神不佳、教師講解得不清楚或不得當,也可能是教材本身不容易理解。當然,還有一種原因,就是該科目的呈現方式對小學生來說顯得枯燥乏味。

小學生對「無聊」的忍受能力是遠遠低於成年人的。大學生可以整整一堂課五十分鐘聽教授講解抽象的微積分,但是小學生卻無法持續計算乘法四十分鐘而面不改色。如果想要增進學習的動機,提高學習的效果,還真的必須針對教學的過程好好設計一番,而不是要求學生死記就了事。

在TEDEducation的一部影片中,我們可以看到神經科學家葛瑞格.蓋吉(Greg Gage)如何在一場演講暨示範中,為觀眾講解神經元傳導訊號的過程。不過,這部影片有個稍微令人卻步的主題:The Cockroach Beatbox(蟑螂節奏盒)。我衷心希望各位不要因為對這種昆蟲的偏見就決定不收看這部影片,因為那會是個損失。


蓋吉看起來就像個科學家,戴著厚厚的眼鏡,穿的T恤上畫著一隻大蟑螂。不說的話,會以為他是研究昆蟲的。不過昆蟲只是他研究的對象之一。他研究的領域是神經科學。一開場他說,在人的各種生理現象中,大腦的運作是比較不容易說明的。大腦裡有一千億個細胞,也就是一千億個神經元(neurons),神經元彼此之間並不相連,而是透過電流、化學物質在傳遞訊號(一般稱為神經傳導)。由於肉眼看不見單一的神經元,所以我們也無法用肉眼觀察到神經元之間如何傳遞訊號。

不過,蓋吉說,神經元之間傳遞的訊號,可以被轉換為電位圖,我們可以從電位圖中觀察到這些訊號的存在,訊號的最大幅度稱為神經衝動(Spike),又稱為動作電位(action potential)。

為了具體說明這件事,蓋吉從冰水中取出一隻凍僵的蟑螂(蟑螂不是恆溫動物,在冰水中會凍僵,但是沒有死)。他取下蟑螂的一隻腳。此時影片的畫面中插入一張圖片顯示,蟑螂的腳上就有神經元,當腳上的纖毛感受到空氣的振動,就會傳遞訊號給神經元,並接續著把這個訊號傳到蟑螂的腦(這就是為什麼,家裡的蟑螂一感覺有報紙揮過來,就立刻機靈地逃走……)。

蓋吉把這隻神經元還活著的蟑螂腳,固定在一個稱為Spikerbox的裝置上。裝置上有一個方形的軟木塞,他把蟑螂腳放在上面,並用兩根大頭針(pin)固定好,再分別連上電極,這組電極可以用來偵測蟑螂腳上神經元發出的電位訊號。

打開Spikerbox的開關之後,就赫然看到在蓋吉的iPad螢幕上,蟑螂腳上的神經元正發出訊號。很像某種噪音。為了讓大家更清楚這訊號是來自這隻腳,蓋吉對蟑螂腳吹了吹氣(也就是讓腳上的纖毛感受到空氣的振動),此時很清楚看到,螢幕上的電位圖訊號變強了,神經衝動的強度變大了。

現場觀眾已經有人瞪大了眼睛。

接著,蓋吉又說明,除了透過空氣振動,也可以透過電流來給予刺激,製造出蟑螂腳上神經元傳導的訊號。他把另外一組電極夾在大頭針上。接著播放iPhone裡的一首樂曲,讓樂曲的電子訊號透過這組電極傳到蟑螂腳上,結果,蟑螂的腳居然開始擺動,而且是跟著樂曲中的低音(bass)節奏擺動著。真是太神奇(與噁心)了!

既然空氣振動和電流都能製造訊號,最後,蓋吉請來一位歌者現場透過麥克風唱歌(應該說是製造節奏),並且也將節奏的訊號傳遞到蟑螂腳上,而這也讓蟑螂腳跟著歌者的節奏擺動了起來……

這場演講其實就是一次科學實驗的展示,如果重看一次,你會留意到這整個流程是經過精心規劃和設計的。有實際操作(現場卸下活蟑螂的腳),有儀器的運用(除了Spikerbox,iPad和iPhone也都用上了,當然還有看不見的軟體程式),再加上多張插畫和動畫的補充說明,在短短六分多鐘內,就讓觀眾對所謂的神經傳導有了一個基本的概念。原本肉眼看不見的神經衝動、音樂節奏振動,都透過iPad、iPhone的螢幕顯示出來。

無論對一般大眾還是學生來說,這都算是一場噱頭十足的科學展覽,經過這「看得見的神經科學」展示之後,大家的感想應該不會是「好難,看不懂」吧!不過,影片的確引發了不同的感想。雖然有人認為蓋吉清楚示範了神經元傳導訊號的過程,但是也有不少人在爭論,當眾卸下昆蟲的腳,並且透過實驗讓那隻腳隨著音樂擺動,是否太殘忍又不人道,而且是否會誤導小孩子?

可以想像,一定會有人在看了這部影片之後,學著用蟑螂腳來作實驗。根據我粗淺的意見,使用蟑螂做為實驗對象應該算是衝擊最小的。一來蟑螂的族群數量很多,二來蟑螂算是害蟲,三來蟑螂的腳會重新長出來,四來會願意抓蟑螂來重做這個實驗的人,我想應該是已經對神經科學著迷了吧~

如果花時間爭論,取下一隻蟑螂的腳是否人道,我們可能就會忽略了,這部影片在科學教育及學習上的參考價值。

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