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今日分享內容 一. 腦和心的微妙關係 二. 腦是人身最重要的器官 三. 大腦的外表和內部結構簡介 四. 大腦功能的探索歷史 五. 大腦和智商 六. 認識大腦各半球的功能和全腦的學習 3

腦與心的認知 東方人的看法 華人文字的表達常用 : 心有餘, 力不足 - 能力有限, 無法達到心願 ( 能力 ) 心甘情願, 心悅誠服 - 接受某種挑戰後的認輸 ( 心情 ) 心煩意亂, 心灰意冷 - 情緒低落, 提不起精神 ( 感覺 ) 這裡華人 心 是代表能力 情緒和感覺 又說 : 要 用心學習或用心思考 這裡又把 心 當作有思考能力和學習的器官 直到 19 世紀末, 中國人的文字才有 腦筋不靈 的文詞記載 我們現代人才真正瞭解認識腦的功能是思考 理解 學習和記憶 4

腦與心的認知 西方古代的看法 古埃及人死後要做成木乃伊時, 他們會把心臟和其他內臟先分別安置在罐子裡 並先將 心 和 羽毛 平秤, 若心臟重於羽毛表示死者貪心, 就會被旁邊虎視眈眈的野獸吃掉, 這個貪心的人就無法輪迴成為眾神 古希臘人一直認為 思想 必是存在於 胸即口和肺 之間, 才得以用語言表達 口和肺之間的器官, 就是心臟 (Heart), 而抽象功能的存在他們叫做 心思 (mind) 演變到今日, 英文字 mindful 表示要小心, never mind 是不要介意,; out of one s mind 就是瘋了 思想錯亂了 發瘋 看來, 東西不謀而合, 都把 心臟 當成為 會思想 的器官

思想 思考能力, 從何而來 醫學的發展從古埃及而希臘 古羅馬延續到中古世紀 都因為沒有人體解剖而憑空想像 ( 古希臘 羅馬人死後火葬 拜占庭王朝的中古時代也禁止人體解剖 ), 所以才有 心 是思考器官的想法 直到文藝復興年代, 才有解剖學和生理學的研究 Andreas Versalis (1514~1564): 比利時醫師到義大利留學 任教外科學和解剖學是第一位在 1543 年建立人體剖學的人 ( 包括腦和神經系統 ) William Harvey(1578-1657): 英國醫師到義大利留學後, 在 1628 年才發表心臟只是血液循環的中心而否定心臟是思考的器官 Rene Descartes(1596-1657): 法國科學家 數學家, 第一位主張腦才是思想的器官, 松菓體是靈魂的座位, 眼睛是靈魂之窗 他的名言 : Cogito Ergo Sum 我思故我在, 才點出了腦是學習, 記憶, 思考的中樞 6

腦 和 心 微妙的關係 心 的跳動, 是迷走神經來調節控制的 迷走神經是從腦幹 - 延腦的神經細胞伸出細胞軸匯集成左右各一條的第十對腦神經 延腦的細胞又受大腦, 中腦的細胞調節控制 所以, 心是受腦 ( 中樞神經系統 ) 的控制和調節 迷走神經的分支, 在心臟內建構不同速率的博動來控制 調節心律 : 心房結 (SA Node) 會產生每分鐘 72 次的博動 心室結 (AV Node) 會產生每分鐘 60 次的博動 由上而下控制心律 情緒, 體溫, 運動, 新陳代謝都可影響迷走神經的張度而影響心律的快慢 結論 : 腦是控制心的跳動 ( 自律神經系統 ) 7

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腦 和 心 微妙的關係 心 ` 博動一次, 心肌就壓縮左心室的鮮血, 而輸送到全身, 叫做體循環 同時也壓縮右心室, 將上 下腔靜脈回流的靜脈血送出肺動脈在肺臟作氧氣的交換, 叫做肺循環 每一次的心博動, 壓縮時, 同時產生肺循環和體循環 舒張時, 體循環的靜脈血回流到右心房, 進入右心室 同時肺循環也將交換過有氧氣的肺靜脈血, 回歸到左心房, 進入左心室 這樣體循環和肺循環交流而有氧的新鮮血供全體器官之用 一次的心臟壓縮送出的血量叫 stroke volume, 成人的平均值是 70ml 每分鐘心臟輸出的血量叫 Cardiac Output (C.O.), 如每分鐘心跳 70 次時則 C.O 是 70x70=4900ml/min 健康的成人每分鐘的 C.O 約 5000ml 休息 ( 睡覺 ) 狀態心跳減慢這時的 C. O 是 50 60x70=3500 4200ml. 約有 3.5 公升 當心博太慢, 或體循環血流不夠時, 器官會缺氧 ( 血 ), 最敏感的器官 - 腦, 就會先受損 結論 : 心臟功能不全時, 第一個損害的器官就是腦 9

腦的血循環和血流 腦有四條動脈供應血流, 每分鐘需要 700~800ml 的血流 缺血就會中風或死亡 10

腦是很特別的器官 成人的腦平均重量 : 約 1.4 公斤 =1400 克成人的平均體重 : 約 70 公斤 =70,000 克成人的腦只佔體重的 1400/70000=0.02, 即 2% 或 1/50 正常狀態下, 成人每 100 克腦, 每分鐘需要的血流是 50 毫升 (ml) 成人的腦, 每分鐘需要的血流量是 :14x50=700ml 如上述, 在休息 ( 睡眠 ) 狀態下, 心臟每分鐘壓縮量是 3500ml. 所以, 在休息 ( 睡眠 ) 狀態下, 腦每分鐘需要的血流佔全身體的 700ml/3500ml=0.2, 即佔 20%, 可以想見, 腦在活動思考狀況下, 需用的血量會更多 結論 : 佔體重 2% 的腦, 消耗 20% 以上的血流, 供新陳代謝, 可以想見 腦 是人體器官中最特別 很重要的器官 11

大腦是最重要的器官 沒有腦的人不會想, 也不會動, 更不能做事, 他 ( 她 ) 是沒有 人格 的人 心臟停了, 可以裝心律調整器, 讓它繼續跳, 為的是送血到腦部 心臟壞了, 可以先裝 ECMO 葉克膜, 以便做心臟的移植 但是, 腦死了, 沒辦法做腦移植, 就是能移植也成功了, 這個活人已經不是以前那個人, 因為不是他的腦 判定一個人真正的死亡, 叫做腦死, 因此大腦是人體中最重要的器官 12

腦細胞的能源 大腦細胞的新陳代謝率很高, 只佔 2% 體重, 卻消耗 20% 的全身能量 大腦細胞的唯一能源是葡萄糖, 所謂單糖 如果葡萄糖分子中的氧, 可以用具有同位素的氧取代, 而成為具有同位素的葡萄糖, 如此就可以用來追蹤研究腦細胞的新陳代謝和各部位特殊功能 ( 因同位素會釋放正子輻射線 ) 然後用正子掃描器 (PET) 就可以描繪出有正子輻射的位置, 就可看出利用葡萄糖的腦細 胞位置 ( 如下一張圖 ) 13

同位素葡萄糖和同位素神經傳導素可用正子斷層掃描 (Positron Emission Tomography,PET) 來研究腦細胞特定功能 14

讓我們從解剖學來看人類大腦的外表結構 人類大腦的外表結構 : 左半球 右半球 兩半球間連結體 中間有基底核 視丘 下視丘和腦下垂體 再往下 ( 後方 ) 是中腦 橋腦 延腦連結到脊髓 左 右 切半側 15

大腦切面外層呈灰色, 叫灰質, 有三種細胞, 神經原 (neurons), 星狀細胞 (astrocyte) 和寡枝突細胞 人類大腦的內部結構 內層呈白色, 叫白質, 它是細胞軸線連結各區域的神經網路 左圖是腦垂直切面的白質和灰質 在顯微鏡放大下, 灰質部份有不同的細胞層及神經軸和橫向連結的枝突 16

人類大腦功能的探索 ( 一 ) 從迪卡爾 (Rene Descartes) 之後, 啟蒙時期的科學家一致認為腦才是思想 行動和感覺的器官 但是個別的差異 智力的不同, 必定是腦部不同結構所造成 甚至相信頭腦大一點的人一定比較聰明 高爾 (Franz Joseph Gall) 德國的醫師 (1758~1828) 開始量度頭蓋骨的長度 周圍 寬度 高度, 甚至骨表面的凹凸, 來研究探討人的差異, 稱為腦相學 (phrenology) 在 1820~1840 年間, 摸頭殼的腦相學發揮到了淋漓盡致 全歐洲 美洲都很流行並發行刊物和雜誌 今日我們認為不是真正的科學 17

大腦功能的探索 ( 二 ) 1800~1860, 大腦功能深受腦相學的影響, 如圖譜各區域下的腦代表不同特色的功能, 但止於猜測, 並未證實 辯證科學的開始在 : 1861 年 Broca 區域, 證實是運動語言區 1874 年 Wernicke 發現感覺語言區 1874 年 David Ferrier 電刺激運動區產生對側肢體的運動 科學家逐漸放棄腦相學而開始直接研究腦部各區域的功能 18

人類大腦功能認識的發展史 ( 二 ) 1861 年法國醫師 Paul Broca(1824~1880), 從一位頭部外傷後, 失語症病人死後解剖, 發現他的左側前葉下方受損 再經幾例無語病人的腦部解剖, 他做出結論 : 此區域受損會產生失語症, 後人稱為 Broca Area 1864 年德國醫師 Carl Wernike (1848~1905) 發現另一種失語症病人無法溝通, 他們的腦部解剖, 不是 Broca Area 受損, 而是在左側顳葉的上迴受損, 他們的失語症不嚴重但會語無倫次或稱為感覺性失語症該部份後來稱為 Wernike Area 1874 年蘇格蘭醫師 David Ferrier (1893~1928) 在猴子大腦刺激實驗中證實中央溝前葉迴刺激會產生對側肢體的運動, 稱為運動神經皮質區 到此為止, 十九世紀的醫師相信大腦皮質是控制人類行為的中心 19

腦細胞的連結和腦的功能 1899 年西班牙神經科學之父 Ramon Y Cajal 利用銀液染色法, 能在顯微鏡下清楚看到腦細胞, 它的細胞軸 枝突和細胞相接連點 (neuronal junctions), 於 1906 年獲得諾貝爾醫學獎 2 個神經細胞的放大 1906 年英國生理學家 Charles Sherrington 研究肌肉運動反射實驗, 證實神經的傳導是用電流傳遞的 並推論神經 系統的功能 ( 腦 ) 是靠電流傳導腦細胞的整合才會產生 (The Integrative Action of the Nervous System) Sherrington 於 1921 年獲得諾貝爾獎 20

神經傳導素和神經連結點 ( 神經間隙 ) 三種現象無法解釋電流傳過神經連 結點的間隙 : (1) 電流都是單方向無法解釋反向的神經反應 (2) 電流通過連結點時, 應該都是刺激性的反應, 但事實上也看到有抑制性的反應 (3) 量度傳導速度時, 經過神經連結點時電流速度會減慢, 似乎有一個間隙 因此 Sherrington 假設有一個間隙, 他稱為 synapse, 使電流傳導減慢 1921 年德國生理學家 Otto Loewi 終於發現在間隙裡有化學物質, 稱為神經傳導素 (neurotransmitter), 做為刺激性或抑制性的反應 再傳到下一個神經細胞 他於 1936 獲得諾貝爾醫學獎 21

神經細胞的網絡連結 - 電流和神經傳導素 22

視覺的連結 光刺激 視網膜上兩種細胞的化學變化 電流的形成 經細胞軸電流傳導 細胞間隙神經傳導素的釋放 啟動下一個細胞的電流 直到視覺大腦皮質來判別光 形狀 顏色及意義 23

聽覺的連結 聲音從空氣傳到耳膜, 經過中耳三小骨把震幅放大, 讓耳蝸內淋巴流動而牽動不同頻率的纖毛擺動而導致神經纖維傳導不同頻率的電波 經聽覺神經送到腦幹的聽神經細胞, 再經 3 4 層的神經細胞 最後送到聽覺皮質聽覺細胞來解釋聲音的意思 24

腦細胞的連結而產生其他的功能 人類的感覺是由皮膚外表的感覺細胞 ( 視 聽 冷 熱 痛壓.. 等 ) 受刺激而往脊髓傳送, 再向上往腦幹 大腦而產生感覺 人類的運動是由小腦 大腦運動神經細胞啟動, 往下傳達腦幹和脊髓的神經細胞, 最後傳到肌肉而產生動作 人類的記憶 學習 推理 思想都是經過許多細胞的連結而產生, 其中也有不同的神經傳導素在細胞間隙, 使傳導順暢 25

人類的腦細胞 細胞間隙和智力 (Neuron, Synapses and Intelligence) 正常人的腦細胞 (neurons) 約 100 億個 (10 11 個 ) 腦細胞接觸的間隙 (synapse) 約為 100 兆個 (10 14 個 ) 人的智力確實和腦細胞的數目有關, 但是關係更緊密的是間隙 (synapses) 的多少! 因為間隙 ( 接觸點 ) 是可以訓練出來的, 愈聰明的人, 間隙 (synapses) 或接連點愈多 愛因斯坦的腦並不比別人重, 他的腦細胞數目, 也不比人多, 但是他的間隙 (synapse) 一定比一般人多 所以他能憑數學計畫發表相對論而改變了世界 26

智慧的估計 智商 (Intellignce Quotient) IQ 智商 IQ 是表示一個人 ( 學童 ) 認知的能力 (cognitive ability) 一般而言, 學習機會愈多, 就愈聰明, 智商愈高 人的智慧也應隨著年齡增加而增加, 直到成人 測量人的智慧是以他 ( 她 ) 的智力年齡除以他 ( 她 ) 的實際年齡所得的商數, 因此叫做智商 同一社區, 同一年齡層的人, 他們的智商分佈都是鐘狀曲線, 稱正常分佈 取中間值為 100 時, 兩個標準差 (S.D) 內, 即在 70~130 之間, 為一般的智商, 約佔人口 95% 極右超出 130 以上是天才 約為人口的 2.1% 智商的測驗純是為兒童的教育和學習的目的而設計的, 但今日卻被濫用 ( 為父母的虛偽 補習班的商機 ) 27

智力測驗的歷史 1863 年 Francis Galton 為比較人間智力的差異而設計了心智測度法 (psychometrics) 1905~08, Alfred Binet 和 Theodore Simon 發展了非文字的智力測驗,Binet Simon Intelligence Scale, 在歐洲, 法國很盛行 1949 年經過兩次世界大戰後, 心理學家 教育家開始恢復 有教有類, 個別因材施教的理念而重新測驗智商, David Wechsler 設計了 Wechslter Intelligence Scale for Children (WISC) 普遍用於北美洲 1955 年為新兵入伍, 他又設計了 Wechsler Adult Intelligence Scale (WAIS), 也用在精神科的病人 2003~2004 因時代進步, 電子媒體改變了社會溝通和教育 WAIS 也訂新版 WISC-Ⅳ, 今日普遍用在臨床醫學上 28

智力是否有一個單一共同因子來決定 (General Intelligence) 智力測驗的設計有視覺 聽覺的辨識, 有抽象推理問題, 有負數 閱讀能力, 也有單字記憶和空間形象的辨別 等, 各種認知能力的測驗 它的目的就是在測驗不同區 域 不同部位腦細胞的連結來解決問題的能力 因為個 別的基因 環境差異, 各項測驗應該有所差異 Charles Spearman 1964 年發現 ( 受試者 ) 當中, 好成績或解 答各項測驗能力高的學童, 他 ( 她 ) 的每項能力都很高, 好 似有一個共同智力的一般因子 (general intelligence factor) 或稱 g 這個議題成為心理測驗中的熱門議題和不同 的解讀 29

佛林效應 (Flynn Effect) James R. Flynn 美國人, 在 1984 1987 年發現, 自從使用智商測驗題的 1900 年開始, 兒童的智商好像每 10 年約增加 3 點 經過嚴密監測, 標準化智慧測驗, 在許多國家都發現有同樣的現象, 因此被稱為佛林效應, 推測其理由有 : 1. 小家庭化, 兒童教育受重視 2. 都市化, 人口往都市集中, 幼小就開始受大眾傳播影響 3. 社會重視並提昇兒童的食物營養品質 最近的研究, 已開發國家佛林效應已逐漸緩慢或消失 30

腦的大小和智慧 1863 年 Francis Galton 提出腦的大小和智慧有關的理念 尤其指的是腦和體重的比率愈大, 智慧會愈高 ( 其實他是從爬蟲類到哺乳類及人類的腦與體重比推論, 因為那時還沒有智商的測量 ) 1900~2000 年間, 有許多的研究, 但不一致的結論 2005 年 Michael A. McDaniel 從 37 種文獻報告中做出大型的層次分析, 結論是腦的大小和智商的相關係數是正值, 約為 0.35, 只有一點點的關係 2006 年的 3 月份,Philip shaw 從不同智商的小孩的追蹤檢查用精細的 MRI, 發現智商和大腦皮質的厚度有關, 尤其前葉的大腦皮質 31

最新有關 IQ 和腦皮質厚度的研究 美國國家精神健康總署 ( National Institute of Mental Health) 的科學家 Philip Shaw, 最新的研究報告 (2006 年 3 月 29 日 ), 追蹤研究 3 組不同 IQ 的兒童, 從 6 歳到 19 歳共有 300 位, 每兩年作 IQ test 及 MRI 一次, 並量度他們大腦皮質的厚度 他驚訝地發現到, IQ 最高 ( 所謂天才兒童 ) 的這一組,6 歳時大腦皮質比別組薄一些, 但是很快地在 13 14 歳時, 增厚到比別組還厚, 到了 19 歳時, 三組都變成差不多一樣的厚 如右圖 32

最新有關 IQ 和腦大小的研究 Philip Shaw 的研究驚動了許多學者專家 : 最明顯的變化是在 Pre-frontal Cortex( 前葉額 ) 的地方, 尤其在左側, 即所謂 g 一般智力因子的地方 細胞的增加使學習和記憶增強因此 IQ 增高 細胞增加同時, 每一個細胞軸及枝突和其他關聯細胞間的連結軌道線 (Trajectory) 及接點 (synapse) 數目也增加, 提升了各種細胞功能的交換和聚合 成長到 19 歳時, 細胞間的軌道線已建立完成了, 細胞就不再增加, 所以三組的皮質厚度一致化, 但是 IQ 高的就是表示他 ( 她 ) 的間隙 (synapse) 和 Trajectory 連線比別人豐富 33

認識大腦各半球的功能 和全腦的學習 34

學習的理論和神經科學 ( 一 ) A. 嘗試錯誤論 (Trials and Errors) 認為許多種的學習都是經過多次的嘗試, 經過錯誤失敗所得來的經驗, 才有成功的最後結果 所以對錯誤給予處罰 ( 或教訓 ), 對成功給予獎勵, 可以加強學習的能力 神經科學的解釋 : 每一次的學習就是許多神經細胞之間的聯絡和電流的傳導網路, 錯誤的傳導網路得不到結果 ( 滿足或正面反應 ), 正確的傳導路線得到正面的反應, 而加強學習 ( 和記憶 ) 所以學習是大腦許多神經細胞的合作, 尋找出正確的線路的程序 (Learning is the process of many neuronal connections or orchestration with positive re-enforcement) 35

大腦神經細胞連結網路是學習 記憶的根源 今日所了解的 記憶 是過去細胞連結網絡留下來的痕跡, 而學習是重新追溯過去的記憶網絡, 再擴大新連結 就是嘗試錯誤和條件反應一樣的模式 這就是腦功能的連結觀念和理論 各種不同性質的記憶, 所需用到的細胞連結有跨區連結, 也有要跨半球的連結才能保存 但久不用就無法再追溯而遺忘 例如語言的反應, 在同半球, 不同區域就可完成 每一個人的成長和學習, 使他 ( 她 ) 有職業專長和成就, 過程中使用的神經連結會養成某種習慣 ( 用右手或左手 ), 最後養成了 半腦 常用的優勢 慣用右手的男人,95% 左腦顯性 ; 但慣用右手的女人, 只有 90% 左腦顯性 慣用左手的男人,73% 右腦顯性 ; 慣用左手的女人,69% 右腦顯性 語言中心還是在左腦 其餘有些是兩側都用或只用右腦 兩側都用的缺點是 口吃 的 36 發生

左半球 大腦各半球功能的偏側性 (Lateralized Brain Function) 右半球 語言 ( 接受和放送 ) 音樂 藝術 繪畫 ( 感受和行動 ) 右半邊身體的行動 右半邊身體的感覺 右半邊的視野 左半邊身體的行動 左半邊身體的感覺 左半邊的視野 偏重科學 邏輯 理性 語言 文字了解, 數學 運算 偏重創意 美學和文學 視覺空間感 情感的表達 視覺 ( 影像 ), 聽覺 ( 聲音 ) 及空間辨識的神經網絡傳達路徑兩半球都有, 尤其是臉型的認識, 在右半球有顯著優先 肢體語言和口頭語言的感情內容, 卻需要兩側大腦同時運作 37

大腦各半球功能的偏側性 38

優勢的半球和潛伏的半腦 (Dominating Hemisphere and Dormant Hemisphere) 直到 1960 年以前, 神經科學家一直認為左側的半球是人類優勢的半腦 因為語言中心 語音了解中樞及右手的功能 ( 世界上用右手的人口佔多數, 所以工具都為右手的人而設計 ) 所以左側的大腦是優勢的, 而右側的大腦只是靜止 潛伏的半邊, 不很重要 直到 2000 年以後, 利用 P.E.T. 及 MRI 對腦功能的研究, 我們不再這樣認為了 有學者研究憂鬱和文學創作的關係及語言的感性, 發現右半腦比較優勢 有學者預測右半腦的創意在廿一世紀很重要, 這些右腦優勢的人將在廿一世紀主導這個世界 例如賈伯斯和比爾蓋茲 39

分析各半腦的專長可以了解各人的性向 ( 一 ) 左半腦的特性 : 把資訊 ( 學習的記憶 ) 線性排序 有條不紊 有邏輯 可計算 是數位的, 用語言的功能如文法 字彙意義瞭解 因此, 凡是依靠事實 數字, 可度量的具體的東西, 都相信 用理性的思考 推理的記憶, 或可測量 證實的實驗及直接感受得到的經驗, 都是左半腦的特性 因此, 科學家 工程師 化學 物理學家是左半腦的產物 一位科學家, 用到左腦一定比用他的右半腦多 長久學習的經驗, 使他做什麼事都數位化, 從 1,2,3,4 逐步介紹解說, 讓別人因著數據或邏輯的思考, 而信服他 他的做事風格 講話內容, 都會表現出他是左半腦優勢的人 40

分析各半腦的專長了解各人的性向 ( 二 ) 右半腦的特性 : 把資訊 ( 學習的記憶 ) 環狀排列, 隨意捉取, 模糊但有創意 表達常是抽象的, 夢幻的, 詩意又富想像的, 感性的, 甚至於隱喻的 他們比較有韻律感是音樂性的, 他常主觀的解讀任何事件, 而且內容可以隨時改變或變化 因此, 右半腦的特性可以處置神秘的事件, 對於奇蹟, 信仰或抽象的知識容易接受 這種人善於詩詞 文學創作, 他也可信賴較忠貞 榮譽 信心或比較感情用事, 也比較是詩情畫意的理想主義者 因此, 宗教或音樂 文學詩詞是右半腦的產物 一位宗教家或音樂家, 用右半邊的大腦, 一定比左半邊的大腦多 他可以為達到一個目的, 禁食一個星期而不怕死 他的演說或舉證多是感性的內涵, 讓人感動, 但不一定具體或事實 他可以通過想像 隱喻而生活得滿足快樂 41

各位學員社會菁英的全腦學習 有些人習慣用左腦做事, 像科學家不容易妥協, 喜愛辯論, 有些人慣用右腦做事, 異想天開, 做白日夢, 常在找東西, 不知放置哪裡 當然他 ( 她 ) 們不是說完全忽略了另一半腦的功能, 而是習慣特用一邊的腦 可是, 年歲增加或體力變差等因素, 使職場或角色會改變, 或退休 因此, 全腦的學習很重要! 先要認清自己的過去, 再學習補強自己的不足 具有科學性格的人, 就要學習用右腦, 讓你自己在文學或藝術上多加補強, 學享受人生的美, 才不至於有 秀才遇到兵有理說不清 的困擾, 更不要等到老了, 才去 老大徒傷悲 具有文學家 藝術家 音樂家氣質的人, 也應該去學習多用左腦, 在科學上 理學上, 甚至醫學上嘗試去瞭解為甚麼他們會那麼做 全腦的學習會使自己有更多的智識和智慧, 好適應而更健康 42