109 年 國立臺灣大學腦與心智科學研究所《認知神經科學》

此題主要探討「社會腦」的兩個重要神經迴路：鏡像神經元網絡（mirror-neuron network）與心智化網絡（mentalizing network or Theory of Mind network）。

核心觀念：

• 鏡像神經元 (Mirror Neuron)：一類能夠同時在執行動作和觀察他人執行相同動作時被活化的神經元。
• 心智化 (Mentalizing / Theory of Mind, ToM)：理解他人心理狀態（如意圖、信念、情緒）的能力。
• 社會腦 (Social Brain)：指涉及社會認知、社會互動和情緒處理的神經網絡。

解題步驟：

(a) 鏡像神經元 (Mirror Neuron)

• 定義 (3 points)：鏡像神經元是指當個體執行某個動作時會被活化，同時在觀察他人執行相同或類似動作時也會被活化的神經元。它們扮演了連接「行動」與「觀察」的橋樑。
• 腦區 (3 points)：
  • 靈長類 (Primates)：鏡像神經元最早在獼猴（macaque monkeys）的前運動皮質（premotor cortex）和頂葉皮質（parietal cortex）中被發現。
  • 人類 (Humans)：在人類中，研究顯示鏡像神經元系統（或與其功能相關的區域）主要位於：
    • 腹側前運動皮質 (Ventral premotor cortex)
    • 下額葉皮質 (Inferior frontal gyrus)，特別是布羅卡區（Broca's area）附近
    • 上頂葉皮質 (Superior parietal lobule)
    • 顳上溝 (Superior temporal sulcus, STS)
    • 島葉 (Insula)
    • 前扣帶迴皮質 (Anterior cingulate cortex, ACC)
• 功能 (3 points)：
  • 動作理解 (Action understanding)：幫助我們理解他人動作的意圖和目標。
  • 動作模仿 (Action imitation)：是學習新技能和模仿他人行為的基礎。

此題探討觸覺的感知，涉及周邊神經系統與中樞神經系統的整合，以及體感皮質的組織與腦半球偏側化現象。

核心觀念：

• 體感傳導通路 (Somatosensory Pathway)：從周邊感受器到大腦皮質的訊息傳遞路徑。
• 體節對應 (Somatotopy)：身體不同部位的感覺訊息在體感皮質上有特定的映射區域。
• 腦半球偏側化 (Hemispheric Lateralization)：大腦兩個半球在執行特定功能時，其中一個半球比另一個半球更具優勢或主導。

解題步驟：

(a) 體感傳導通路 (6 points)
觸覺訊息從周邊傳遞至大腦皮質的通路主要有兩條，但最主要且整合較多訊息的是「脊髓視丘皮質徑 (Spino-thalamic pathway)」，其中又包含「內側視丘束 (Medial lemniscus pathway)」和「外側視丘束 (Lateral spinothalamic tract)」。這裡我們描述較為完整的體感傳導通路：

1. 周邊感受器 (Peripheral Receptors)：皮膚中的機械感受器（如 Merkel 氏盤、Meissner 氏小體、Ruffini 氏終端、Pacini 氏小體）接收到觸覺刺激。
2. 第一級神經元 (First-order neuron)：這些感受器的神經纖維（主要是 Aβ 纖維）將訊息傳遞到脊髓。
3. 脊髓 (Spinal Cord)：
   • 第一級神經元進入脊髓後，在灰質後角 (dorsal horn) 進行突觸連接，或直接向上傳遞。
   • 內側視丘束 (Medial Lemniscus Pathway)：傳遞精細觸覺（如兩點區辨、振動覺）和本體感覺（proprioception）的訊息。第一級神經元的軸突進入脊髓後，向上延伸至延髓 (medulla)，並在延髓的內側視丘束核 (nucleus gracilis 和 nucleus cuneatus) 進行第一次突觸連接，形成第二級神經元。
   • 外側視丘束 (Lateral Spinothalamic Tract)：傳遞粗略觸覺（如壓力、疼痛、溫度）的訊息。第一級神經元的軸突在脊髓的灰質後角與第二級神經元突觸連接。
4. 視丘 (Thalamus)：
   • 第二級神經元的軸突在延髓交叉（deccussation）後，向上進入腦幹，並在視丘 (thalamus) 的腹後核 (Ventral Posterior Nucleus, VPN) 進行第二次突觸連接，形成第三級神經元。
5. 初級體感皮質 (Primary Somatosensory Cortex, S1)：
   • 第三級神經元的軸突投射到位於頂葉的初級體感皮質 (S1)。S1 接收來自身體對側（contralateral side）的感覺訊息。

簡化描述：
周邊感受器 → 第一級神經元 → 脊髓 → (延髓) → 視丘 → 第三級神經元 → 初級體感皮質 (S1)。

(b) 體節對應草圖 (3 points)
初級體感皮質（S1）具有體節對應（somatotopy）的組織方式，形成一個「體感腦圖 (sensory homunculus)」。身體部位的感覺輸入被映射到 S1 的特定區域。一般而言，S1 位於中央溝 (central sulcus) 後方的頂葉。

• 面部 (Face)：映射在 S1 的外側 (lateral) 區域。
• 手 (Hand)：映射在 S1 的中間偏外側 (lateral-intermediate) 區域，通常佔據較大的區域，因為手具有精細的感覺和運動功能。
• 腳 (Foot)：映射在 S1 的內側 (medial) 區域，靠近大腦的縱裂 (longitudinal fissure)。

此題主要探討腦科學研究中常用的四種神經造影技術：腦電圖 (EEG)、腦磁圖 (MEG)、正子斷層掃描 (PET) 和功能性磁共振造影 (fMRI)，以及它們測量神經活動的原理、空間解析度和時間解析度。

核心觀念：

• 神經活動測量原理：不同技術基於不同的物理學原理來偵測大腦活動。
• 空間解析度 (Spatial Resolution)：能夠區分大腦中不同位置活動的能力，通常以毫米 (mm) 或公分 (cm) 為單位。
• 時間解析度 (Temporal Resolution)：能夠區分不同時間點活動的能力，通常以毫秒 (ms) 或秒 (s) 為單位。

解題步驟：

(a) 各技術如何測量神經活動 (8 points)

• 腦電圖 (Electroencephalography, EEG)：

  • 原理：EEG 測量的是大腦皮質神經元（主要是錐體細胞）同步興奮時產生的突觸後電位 (postsynaptic potentials) 所產生的微弱電場變化。這些電位變化透過頭皮上的電極偵測到。EEG 主要測量的是神經元群體 (neuronal populations) 的電生理活動。
  • 測量對象：電場變化（電位差）。

• 腦磁圖 (Magnetoencephalography, MEG)：

  • 原理：MEG 測量的是神經元活動產生的磁場。根據生物電磁學原理，電流會產生磁場。MEG 偵測的是大量神經元同步活動時產生的微弱磁場變化。由於磁場受顱骨和頭皮的干擾較小，MEG 在某些情況下比 EEG 能提供更精確的源定位資訊。MEG 主要測量的是神經元群體的磁場活動。
  • 測量對象：磁場變化。

• 正子斷層掃描 (Positron Emission Tomography, PET)：

  • 原理：PET 是一種代謝成像技術。它測量的是大腦的血流量 (blood flow)、血氧合作用 (oxygen consumption) 或葡萄糖代謝 (glucose metabolism) 等生化指標。這通常是透過注射一種帶有放射性同位素的示蹤劑（如氟代脫氧葡萄糖, FDG）來完成。當示蹤劑在特定腦區被代謝或累積時，其放射性衰變會產生正子，正子與周圍電子湮滅產生伽馬射線，這些伽馬射線被偵測器捕捉，進而重建腦區的代謝活動。
  • 測量對象：放射性同位素衰變產生的伽馬射線，間接反映腦區的代謝活動（如血流量、葡萄糖利用）。

• 功能性磁共振造影 (functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)：

  • 原理：fMRI 測量的是大腦的血氧合水平依賴對比 (Blood-Oxygen-Level Dependent, BOLD) 信號。當神經元活躍時，它們需要更多的氧氣，這會導致局部血流量增加，並改變局部血液中的氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的比例。BOLD 信號是基於去氧血紅蛋白對磁場的敏感性不同，偵測到的磁信號變化與神經活動之間存在關聯。fMRI 測量的是神經血管耦合 (neurovascular coupling) 的間接指標。

核心觀念

本題考查三個統計概念：

1. 平均數（mean）：描述一組分數的集中趨勢。
2. 樣本標準差（sample standard deviation）：描述個體分數的離散程度。
3. 平均數標準誤（standard error of the mean, SEM）：描述樣本平均數估計母體平均數時的不確定程度。
4. 成對樣本 $t$ 檢定（paired-samples $t$ test）：同一批受試者接受訓練前後的分數比較，必須分析每位受試者的配對差異。

題目文字稱有 10 位參與者，但實際列出的分數只有 5 組，因此依照實際資料計算，樣本數為 $n=5$。

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（a）平均數、標準差與平均數標準誤

1. Day 1

Day 1 分數為：

$$2,\ 5,\ 7,\ 1,\ 4$$

平均數

平均數公式為：

$$\bar X=\frac{\sum X_i}{n}$$

因此：

$$\bar X_1=\frac{2+5+7+1+4}{5} =\frac{19}{5} =3.80$$

樣本標準差

由於這些參與者只是母體中的樣本，使用樣本標準差：

$$s=\sqrt{\frac{\sum (X_i-\bar X)^2}{n-1}}$$

各分數與平均數的差異如下：

$X_i$	$X_i-3.8$	$(X_i-3.8)^2$
2	$-1.8$	3.24
5	$1.2$	1.44
7	$3.2$	10.24
1	$-2.8$	7.84
4	$0.2$	0.04

$$\sum (X_i-\bar X_1)^2 =3.24+1.44+10.24+7.84+0.04 =22.80$$

所以：

$$s_1 =\sqrt{\frac{22.80}{5-1}} =\sqrt{5.70} \approx 2.39$$

平均數標準誤

平均數標準誤公式為：

$$SEM=\frac{s}{\sqrt n}$$

題目提供 $\sqrt 5\approx 2.24$，因此：

$$SEM_1=\frac{2.39}{\sqrt5} =\frac{2.39}{2.24} \approx 1.07$$

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2. Day 2

Day 2 分數為：

$$7,\ 9,\ 10,\ 0,\ 2$$

平均數

$$\bar X_2 =\frac{7+9+10+0+2}{5} =\frac{28}{5} =5.60$$

樣本標準差

$$s=\sqrt{\frac{\sum (X_i-\bar X)^2}{n-1}}$$

各分數與平均數的差異如下：

$X_i$	$X_i-5.6$	$(X_i-5.6)^2$
7	$1.4$	1.96
9	$3.4$	11.56
10	$4.4$	19.36
0	$-5.6$	31.36
2	$-3.6$	12.96

$$\sum (X_i-\bar X_2)^2 =1.96+11.56+19.36+31.36+12.96 =77.20$$

因此：

$$s_2 =\sqrt{\frac{77.20}{5-1}} =\sqrt{19.30} \approx 4.39$$

平均數標準誤

$$SEM_2 =\frac{s_2}{\sqrt n} =\frac{4.39}{2.24} \approx 1.96$$

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（a）整理

測量時間	平均數	樣本標準差	平均數標準誤
Day 1	$3.80$	$2.39$	$1.07$
Day 2	$5.60$	$4.39$	$1.96$

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（b）成對樣本 $t$ 檢定

適用方法

Day 1 與 Day 2 是同一批參與者在訓練前後的測量，因此兩組資料並非彼此獨立，應使用：

此題為綜合題，要求解釋「記憶宮殿法」（Method-of-Loci）的原理、設計實驗驗證其行為效果，並論述其背後的神經機制。

核心觀念：

• 記憶宮殿法 (Method-of-Loci)：一種古老的記憶術，將要記憶的項目與熟悉的空間路徑上的特定位置（「地點」或「線索」）聯繫起來。
• 行為實驗設計：如何設計實驗來測量記憶表現。
• 神經機制：探討與記憶形成、提取、空間導航、聯想相關的大腦區域和過程。

解題步驟：

I. 記憶宮殿法的定義與原理 (Detail what is the method-of-loci)

記憶宮殿法，又稱「場所法」(Method of Loci)，是一種強大的記憶策略。其基本原理是：

1. 選擇熟悉的空間：選擇一個你非常熟悉的地點，例如你的家、上學路線、或一個特定的建築物。
2. 建立空間路徑：在這個熟悉的空間中，確立一條固定的、有順序的導覽路線。這條路線包含一系列清晰可辨識的「地點」或「標誌」。
3. 聯想與編碼：將你想要記憶的項目（例如單詞列表、演講要點、數字序列）與路線上的每個地點進行強烈、生動、甚至奇特的聯想。例如，如果你要記住「狗」這個詞，而路線的第一個地點是你的門口，你可以想像一隻巨大的、會吠叫的狗堵在門口。
4. 提取與回憶：當你需要回憶時，就按照你建立的空間路線，在腦中「漫步」，依序「看到」與每個地點聯想的項目，從而將記憶的項目提取出來。

這種方法的有效性來自於人類對空間資訊的優異記憶能力，以及將抽象資訊（如單詞）與具體、視覺化的空間線索進行聯想，從而增強編碼和提取過程。

II. 行為實驗設計範例 (Provide in detail an example of an experimental context in which you might assess it behaviorally)

實驗名稱： 記憶宮殿法對詞彙列表記憶的影響

實驗目標： 評估記憶宮殿法相較於傳統的重複記憶法，是否能顯著提高參與者對詞彙列表的記憶表現。

參與者： 招募一群大學生，這些學生事先沒有接受過記憶術訓練。將他們隨機分配到兩組：實驗組（記憶宮殿法）和對照組（傳統重複記憶法）。

實驗材料：

• 一份長度為 30 個不相關名詞的列表。
• 一份參與者熟悉的虛構建築地圖（例如「科學實驗室」），包含 30 個清晰的、有順序的地點標示（如：入口處、實驗櫃檯、顯微鏡區、冰箱旁、電腦桌等）。
• 記憶宮殿法教學材料（簡短的文字或影片說明，教導如何使用該地圖進行聯想）。
• 記錄記憶表現的紙筆或電腦介面。

實驗流程：

1. 預備階段 (Pre-training)：

   • 向兩組參與者介紹實驗目的，取得知情同意。
   • 進行一個簡單的基線測試，讓他們記憶一個較短的詞彙列表（例如 10 個詞），以評估他們原有的記憶能力。

2. 記憶訓練階段 (Encoding Phase)：

   • 實驗組 (記憶宮殿法)：
     • 提供 10 分鐘的記憶宮殿法教學，說明如何使用提供的「科學實驗室」地圖，並將 30 個詞彙與地圖上的 30 個地點進行生動聯想。
     • 給予 15 分鐘的時間，讓參與者運用記憶宮殿法記憶詞彙列表。
   • 對照組 (傳統重複記憶法)：
     • 給予 15 分鐘的時間，讓參與者以他們習慣的方式（例如重複朗讀、寫下、分類）記憶相同的 30 個詞彙列表。

3. 延遲階段 (Delay Phase)：

   • 進行一個 20 分鐘的干擾任務（例如，玩一個簡單的益智遊戲），以防止參與者在記憶和回憶之間進行過度練習。

4. 記憶提取階段 (Retrieval Phase)：

   • 要求兩組參與者在不受時間限制的情況下，盡可能多地寫下他們記憶的詞彙。
   • 記錄每個參與者正確回憶的詞彙數量。

數據分析：

• 使用獨立樣本 t 檢定 (independent-samples t-test) 比較實驗組和對照組在記憶任務中正確回憶的詞彙數量是否存在顯著差異。
• 分析基線測試數據，確認兩組在實驗前記憶能力無顯著差異。

預期結果：
實驗組（記憶宮殿法）的參與者預期會比對照組（傳統重複記憶法）的參與者回憶起更多詞彙，證明記憶宮殿法能顯著提升記憶表現。

**III. 神經機制論證 (Provide convincing argument what neural processes you think are involved to produce memory behavior in