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2017-04-01當腦神經造影進入你我生活—是超越極限，還是沒有極限？
568 期
Author 作者
林嘉澍／任教國立陽明大學牙醫學系。
上街閒逛時我注意到街角明顯的廣告，是一家「腦圖健檢中心」，聽同事老王提過這家公司。老王先前一直喊著腰酸背痛，是因老闆要求不合理加班才造成的，可是醫生也檢查不出哪裡有問題。老王經律師介紹，就跑來這家公司做了功能性磁振造影 （functional magnetic resonance imaging, fMRI）掃描腦部。結果發現他腦中的疼痛中樞有顯著的神經活動。他的律師藉由fMRI呈現 的「腦圖」中的「亮點」作為老王慢性疼痛的客觀證據，成功地幫他打贏了訴訟。
這不是科幻電影的情節，它已經確確實實發生在我們生活中。2011 年在美國一位顧客在餐廳跌倒後背部與頭部受傷，從此產生慢性疼痛。這位顧客隨後對餐廳提告要求賠償，律師即舉出了他接受功能性磁振造影的結果，說明他確實受到疼痛的折磨（而非裝病）──作為訴訟的證據之一。
有了這些前例，想像著未來病人藉著腦圖宣稱自己承受精神傷害，要求醫師賠償；想像有一天政客藉著腦圖，攻擊對手精神異常；想像殺人兇手辯稱自己心智無法克制衝動，不得已犯下罪刑，而辯護律師則舉著腦圖作為科學證據，說明「當事人前額葉皮質的一大片亮點表示顯著活動，可見他是因為皮質神經細胞活化才扣下板機，他本身並無犯意！
其實我們不需要想像，因為這已是現在進行式，以腦神經造影資料作為人類心智經驗的客觀證據，其應用已經開始在各個領域衝擊我們的社會。本文將從3 個方向思考，探討將腦神經造影資料（主要是fMRI）應用於醫療，法律與教育等領域時，面臨哪些極限與挑戰。
極限一： 腦神經造影只是一種測量方法
圖一是各種形形色色漂亮的腦圖，不禁讓我們讚嘆現今神經造影技術的強大精進。但有些吃驚的是這些價值百萬元至千萬元的核磁共振掃描儀，其本質和藥局就可以買到的血壓計是相同的，都是用來進行測量的儀器。誠然，相較於血壓計，功能性磁振造影可以透過非侵入性，非放射性的方法測得與神經活動有關的血氧依存 （blood-oxygen-level dependent, BOLD）訊號，其功能遠為精密強大！但正如同血壓計、癌症篩檢，甚至一把簡單的體溫計，所呈現的結果都受限於實驗的基本要素，例如測量的信效度、時間與空間解析度、偽陽性或偽陰性等。
如同各種癌症篩檢、精神科問卷或疫苗風險評估一樣，腦神經造影資料（這裡以fMRI 為例）同樣面臨測量結果偽陰性與偽陽性的問題，也就是涉及了所謂型一與型二錯誤（Type I / II error）。舉個例子，有研究發現聽音樂前與聽音樂後人腦「記憶區」活動有顯著的差異，這裡定義為陽性（positive）的變化。這個差異有可能真的是因為聽音樂所造成的效果，但也可能是因為掃描時的雜訊，或是受試者頭部移動所造成的結果。也就是實際上聽音樂對腦並無影響，但因為雜訊或頭動的緣故，使我們看到了顯著的差異。在不能排除偽陽性的情況下，若我們繼續推論「因為人腦活動差異顯著，所以表示他一定在聽音樂」就不能成立了。若是再推論「聽音樂活化人腦記憶，增強記性！」， 這樣的說法還有把握成立嗎？
也如同任何測量技術，腦神經造影所獲得的結果也受限於它的空間與時間解析度，而這兩者又大大影響了我們如何詮釋獲得的結果。以2013 年韋格（Tor D. Wager） 等學者的研究為例，他們透過目前普遍使用的fMRI參數來進行掃描， 其時間解析度為每2秒取樣一張影像，而腦圖上每個「點」代表邊長2毫米的空間。這樣的空間解析度與時間解析度到底有多精密？我們可以參考以下資料：人類調控注意力的所需的時間約0.2秒，而一個神經細胞本體的直徑約0.01毫米，也就是說腦圖上每個「亮點」， 所能呈現的其實是「在8立方毫米（mm3）的空間中，2秒鐘內所有人腦活動的總和效果」。這意味著我們並無法分辨某個亮點代表特定神經細胞的活動，或是某個快速處理的神經活動，也就是說受限於測量的空間時間解析度，fMRI還無法解析至如此精確的程度。因此，若宣稱某個亮點意味著腦神經在細胞層面產生什麼變化，就很可能超出了fMRI技術上的極限。
圖一：各種形式的腦圖。腦圖的如何判讀，都牽涉到神經造影的原理與背後的實驗設計，往往並不是表面上看起來那樣單純。圖A左是作者本人的結構性MRI造影影像，這是臨床上經常採用的技術，可清晰觀察到腦迴等結構。圖A右看起來更漂亮，但其實只是左圖改變色階後的結果。圖B為人腦白質（主要分布神經纖維）經電腦演算後獲得的「骨架」（綠色部分），但綠色部分並非神經纖維本身的樣子，僅顯示神經纖維的分布狀況。圖C為擴散張量造影（diffusion tensor imaging）獲得之影像，其顏色代表水分子可能在人腦中活動的方向性。圖D為實驗中個體在觀看牙科治療影片時人腦活動顯著的區域。圖片上的亮點代表統計值，亮度與受試者過去看牙齒不愉快經驗的程度有關。圖E為機率性纖維追蹤成像（probability tractography）獲得的影像。每個亮點代表該處可能找到特定神經纖維通過的機率。（作者提供）
在此必須承認fMRI作為一種測量方法有其極限。只是很多時候我們不得不承認這個「測量結果」看起來太酷、太漂亮，讓人覺得「很有東西」。正如著名腦科學學者法拉（Martha J. Farah）與法律學者桑馬威斯（Natalie Salmanowitz）所警示的，不論在醫療、法律或是教育領域中，這樣的「證據」很可能比冷冰冰的數字更有說服力，但不能忘記所有的測量結果都有其極限，fMRI的結果仍必須在這些測量基本條件上接受嚴謹的檢視。
極限二： 腦圖本身不會說話，詮釋腦圖的重點在於實驗設計
以fMRI來說，最讓民眾目眩神迷的一點在於它提供一種方法讓我們「看清」我的腦子裡在想什麼。事實上這句話本身大有問題！就拿疼痛來說，人腦並不存在所謂的「疼痛中樞」，如果某甲疼痛的時候，前腦島（anterior insula）有顯著的活動， 是否意味著當前腦島活動時，某甲一定會開始疼痛？這涉及了反向推論 （reverse inference）的有效性，也涉及了更根本的議題：到底fMRI看到的「亮點」從何而來？
首先，現今絕大部分fMRI研究結果都是「關聯性」的結果，也就是說當看到某人（或某種行為）的腦圖上有個亮點，只能知道這個亮點與這個人或行為有關連，但我們無法探知其因果關係。以疼痛經驗為例，當比較老人與年輕人接受疼痛刺激時的腦部，可能發現在老人這組的丘腦（thalamus）這個位置的活動更顯著。但我能進一步詮釋：「老人丘腦活動比較顯著，所以他們覺得更痛」， 或是反過來「老人覺得更痛，所以丘腦活動更顯著」，但其實這不是單純比較老人和年輕人就可以說明的。我們最多能詮釋為「丘腦與年齡疼痛的差異有關」，卻無法釐清其因果關係。……【更多內容請閱讀科學月刊第568期】