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壹、神經成影技術：原理以及其研究應用
一、前言
以往的許多心理學研究中，都只能從一個人的行為反應，或是個人回報的觀感來收集數據並進行相關分析，然而此種研究方法很可能受到個人主觀情緒影響，造成結果無法客觀呈現。神經成影技術是直接或間接對神經系統的結構、功能進行成像的方法，並直接從圖像中讀取資訊，可以排除受到情緒影響的敘述，使研究結果能更加客觀。
本篇介紹了神經成影技術在不同方面的應用，包括從新的角度解釋舊有基本理論或現象，如：情感效價理論、做白日夢等，透過神經成像的方式，可看到當身體進行所研究的活動時腦區的活化情形，並藉由這些結果做更近一步的分析；神經成影技術亦可應用在疾病的研究上，如：阿茲海默症等，利用造影技術搭配其對應的追蹤劑，便可觀察腦部的生理現象，對人類掌控腦部疾病的發生原因有所助益，且由於神經成影是非侵入式的診斷，對人體較不會造成負擔；此外，在對立色彩神經的研究中，經由腦部對於不同顏色產生的訊號強弱差異，讓神經成影技術除了應用在尋找神經反應的位置外，也能應用在確認神經反應的機制上，說明了目前神經成影技術已經成為心理學上不可或缺的研究方法。
二、原理
神經成影技術（Neuroimaging）是泛指能夠直接或間接對神經系統的功能、結構等進行成像的技術，而根據成像的模式，可大致分為兩類：結構成像及功能成像。結構成像是用來展現腦的結構，進而在醫學上輔助腦部疾病的治療；功能成像是用來展現腦部使用時的各種代謝活動（包括感覺、運動、認知、情緒等），常被應用在國內外心理學的研究上，也是本章主要的討論範圍。目前研究上較為成熟且運用較廣泛的成像技術為下述六種：
（一）計算機斷面成像（Computed Tomography, CT）
即常見的電腦斷層掃描，其原理是利用不同方向的X射線對腦袋的層面進行掃描，經由探測器接收通過的X射線，由於X射線對物質通透率的不同，內部處理器將不同的光訊號轉換成電訊號，輸出成信息，經過數字轉換器後輸入計算機處理，整合重建成圖像。計算機斷面成像主要應用在醫學方面，用來對腦進行快速成像，觀察外傷引起的組織水腫和腦室擴張。
（二）擴散光學成像（Diffusion Optical Imaging, DOI）
透過生物體中血紅蛋白對近紅外光的散射與吸收程度不同，分析血液中的含氧血紅蛋白及去氧血紅蛋白的濃度，並藉此重建影像，另一方面，該技術也可以測量腦組織對外部刺激產生的代謝變化，稱為事件相關光學信號（Event-related Optical Signal，EROS），能夠有較高的解析度，缺點是無法探測到腦組織深部的活動。
（三）核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）
利用射頻無線電波(Radio Frequency, RF)作為刺激，觀察原子核自旋產生的磁矩，和外加靜磁場的交互作用下而產生的旋進現象（precession），並分析在自旋系統中的旋進頻率（Larmor frequency），當外加磁場有微小的磁場梯度時，不同位置的原子核會產生對應的旋進頻率差別，而當射頻電磁波的頻率和靜磁場中自旋之旋進頻率相同時便會產生共振現象，再將得到的共振訊號進行空間的編碼，經過傅立葉轉換等方法，可以建立樣本的圖像。ＭRI圖像中的數值代表的是對比度，根據MRI激發和採集模式的不同，主要可分類成T1對比度，T2對比度，T2*對比度等，是用以區分辨別體內不同組織的重要方法。此種成像方法的好處是能夠產生高清晰度的腦部圖像，且對人體沒有侵入性，並能夠提供軟組織任意截面的結構和相關物理參數的訊息。
（四）功能性核磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）
去氧血紅素為順磁性物質，是因去氧血紅素中的血鐵以亞鐵狀態存在，然而人體中大部分物質為反磁性，因此當去氧血紅素的比例較高時，就會有較大的磁場不均勻度，透過偵測含氧血紅素及去氧血紅素的磁性，可推算出神經元的功能活性，並將訊息整合成圖像。當某一腦部位進行思考活動時，fMRI圖上的該部位就會發亮，愈亮則表示進行愈多的思考活動，因此 fMRI 能展現出不同腦部位感覺、運動、認知等活動性及活動程度。
（五）腦磁圖（Magnetoencephalography，MEG）
大腦中的神經元是透過電訊號的傳遞活動的，而傳遞過程中也會伴隨微弱的磁訊號，透過超導量子干涉設備（SQUID）直接偵測，較不會受到周邊組織的影響。
（六）正電子發射成像（Position Emission Tomography, PET）
利用半衰期較短的放射性代謝物質（常用含氧-15的水、含氟-18的氯代脫氧葡萄糖等），注射進入血管中，當這些物質衰變時會在腦中產生正電子，並與電子對產生湮滅，形成一對湮滅光子並射向周遭的偵測器，將偵測器的訊號重組後，即可產生腦功能圖像。單光子發射計算機斷面成像（Single photon emission computer tomography, SPECT）原理和PET技術雷同，只是改以偵測放射性物質衰變時產生的伽馬射線。此項技術對人體沒有侵入性，並能提供軟組織的成像，常常和CT技術一起使用，但會暴露在少量的放射性同位素下，且成像解析度較低。
心理學的研究著重於腦部代謝活動的研究，因此會選擇使用為腦部提供功能性造影的成像技術，故可常見fMRI及PET技術被廣泛運用在實驗中，根據實驗設計的不同，實驗者經過分析、比較兩者優缺點後會選擇對研究較有效果的成影技術，而有時也會看見兩個技術相互搭配，再將得到的成像進行整合分析的研究。
三、利用神經成影技術研究情感效價理論
（一）簡介
心理學上常以「情感效價」（valence） 的概念來量化某個心理指標，即利用座標正負向來描述一個人的正面情感及負面情感，或其他的心理意義，雖然情感效價是一個基本的心理學現象，卻一直沒有一個科學性的方法能夠詮釋這個概念，而目前心理學上有三個主要的假設能夠解釋情感效價理論：雙極性假設（bipolarity hypothesis）中，正、負面情感由同一個腦區調控，並沿著效價座標單方向地增加或減少；雙價假設（bivalent hypothesis）中，正、負面情感是由兩個不同的腦區調控，並分別沿著各自的座標增加或減少，說明一個人能夠同時感受到正面及負面的情感；情感空間假設（affective workspace hypothesis） 中，正、負面情感的沒有由特定的腦區所管控，並利用「神經座標空間」（neural reference space）概念的引入，說明一個神經元可能在空間中同時影響正面及負面的情感活動，造成情感效價做出相對應的彈性變化，本篇介紹University of North Carolina的學者們如何利用fMRI及PET的整合分析（meta-analysis）方法，探討三個假設中何者最為合理。
（二）實驗方法
研究者利用Multilevel Peak Kernel Density Analysis (MKDA) 的方法，對空間中的峰值做疊合分析，便可研究腦內活動的成像，而valence general voxels 被視為可同時在正、負價環境下被活化的指標，因此研究時需先排除具有valence general性質的腦區。
1.對雙極性假設進行測試
雙極性假設中，腦區的情感活動會單向沿著情價的座標移動，若活性變化情形符合 正作用>中性>負作用 或者 負作用>中性>正作用，即可表示符合雙極性假說。然而在研究中無法測試「去活性」作用是否存在於正作用或負作用，所以無法觀察到中性>正價或中性>負價的對比，在這樣的限制下，研究者便利用以下邏輯驗證：若正、負價確實在座標上互為反向，那正價>負價的相對差值和正價>中性的相對差值會有很明顯的活性差異，因此假定神經對於正、負作用所表現之活性大小差距大於正價與中性或者負價與中性之間的差別，便符合雙極性假說。
2.對雙價假設進行測試
雙價假設中，應有兩互相獨立的腦區分別負責正面的情感及負面的情感，即當情感從負價變化到中性時，同一腦區的正面情感不應產生變化（正價活性不改變），反之亦然。以負面情感腦區為例，由於具有valence general性質的腦區不符合雙價假說的設定，因此先排除；接著尋找能找到負作用>中性，且和正作用沒有差異，或者正作用>中性，且和負作用沒有差異的腦區，即可說明雙價假設。
3.對情感空間假設進行測試
測試雙極性假設的實驗中，如圖一，可在大腦喙部前扣帶迴皮質（anterior cingulate cortex, ACC）及內側前額葉皮質（medial prefrontal cortex, MPFC）的腦區發現正價相對比負價的活性比起正價相對於中性的活性，有更多的體素顯現，可說明在此兩塊腦區中，符合雙極性的假設。而在其他的腦區中並沒有發現負價相對於正價活性比負價相對中性的活性差異較大的證據。
（三）結果
在情感假設中，體素（voxel）為同時在正、負價環境下活化的腦細胞，然而比起中性，對於正作用或負作用活性較大的體素，仍可能對正、負價其中一方的反應較大。研究中使用了支援向量機（support vector machine, SVM）進行分類分析，隨機抽取各20組正、負作用對比中性的資料進行測試，並驗證情價的資訊是否符合大腦中的神經活化分佈型態。
圖一 在大腦喙部前扣帶迴皮質及內側前額葉皮質的腦區中可找到雙極性假設的證據
測試雙價假設的實驗中，首先尋找是否存在正面情感腦區，然而卻沒有任何體素顯示正價相對於負價的活性差異比負價相對中性的活性差異來得高，再利用相同的分析方法測試負面情感腦區的存在可能，也依然沒有找到任何證據。這個結果說明了此假設並無法合理說明情感效價理論，亦即正面、負面情感並不是由兩個腦區獨立進行的活動。
測試情感空間假設的實驗中，先尋找相對於中性，對正價和負價的反應較大的腦區，如圖二，可說明情感空間腦區確實是由valence-general的體素組成，而這些體素主要分布在兩側的前腦島（anterior insula）、外眼眶額葉皮質（lateral orbitofrontal cortex）、杏仁核（amygdala）、腹側紋狀體（ventral striatum）、視丘（thalamus）、背外側前額葉皮質（dorsomedial prefrontal cortex）、上半部前扣帶迴皮質等區域，並可將這些區域合稱為「警覺網路」（salience network），從解剖學上發現這些區域和自我意識的情緒掌控有相當大的關聯。
圖二 「警覺網路」腦區和自我意識的情緒掌控有相當大的關聯
接著，在情緒空間腦區（正、負作用皆大於中性的腦區）中，分別尋找正價對比負價有較高的活性，或者負價對比正價有較高活性的證據，發現具有此種性質的腦區主要分布在左杏仁核及左前腦島的腹側和前側，如圖三，在此兩塊腦區中，可發現負作用略大於正作用，並皆大於中性，因此可得出這種正價和負價的活性反應，應存在相對的差異而非絕對的差異，符合情感空間假設。
圖三 在左杏仁核及左前腦島的腹側、前側腦區可找到情感空間假設的證據
研究結果顯示，雙極性假設與雙價假設的證據極少，相較之下在具有valence-general性質的大腦邊緣系統及旁邊緣系統，有較多支持情感空間假設的證據，即情價可能是在空間中同時影響正面及負面的情感活動，而非在各腦區之間獨立運作。
四、利用神經成影技術研究Spontaneous thought
（一）簡介
Spontaneous thought，又稱為做白日夢、stimulus-independent thought、mind wandering，與日常生活息息相關，深切影響我們行走時、進行簡單工作時等等的心理狀態，不只對於研究人們解決問題、創意思考有關，對研究憂鬱反芻（depressive rumination）、創傷後壓力症候群（Post-traumatic stress disorder, PTSD）等等臨床心理狀態也很重要。而此心理狀態與人類大腦預設模式網絡（default mode network, DMN）的活化已經被證實有密切關係[1]。在此介紹，UBC與Cornell University 學者綜合分析歷年以神經成影技術研究Spontaneous thought的論文，找出此種心理狀態下的大腦活化區域。[2]這項研究展示了spontaneous thought與大腦區域、網路的相關性，除了與大腦預設模式網絡以及額頂控制網路（frontoparietal control network），還有在其他腦區的活化為未來研究提供不一樣的研究路線與目標。
（二）實驗方法
首先，研究者制定關鍵詞（如Spontaneous thought、stimulus-independent thought、mind wandering等等），搜尋歷年相關的論文，並且只選擇使用功能性磁振造影（fMRI）、正子放射造影（PET）作為成影技術的論文。接著制定了五項規則排除不符合的論文：使用Talairach或者Montreal Neurological Institute（MNI）紀錄特定巔峰活化中心（peak foci of activation）、非單一研究對象、研究對象為健康族群、涵蓋研究對象自我檢測Spontaneous thought的頻率或深度、研究範圍為全腦。上述篩選方式，最終選出了十篇符合的論文。
研究者接著統合所有座標軸為MNI座標。接下來，高斯函數半峰全寬分析，找出非偶然的活化中心群聚，最終得出157個活化中心，然後，使用活化可能性評估（Activation likelihood estimation）進行綜合分析這157個活化中心，並且視覺化，如圖四。
圖四
（三）結果
圖四顯示13個與spontaneous thought顯著相關的活化區域，包括部分前額葉皮質、前扣帶皮層、部分後扣帶皮層、雙側下側頂葉小葉、海馬迴旁皮質等等。比較特別的是，研究者發現了數個在大腦預設模式網絡的區域之外的活化區域：右側第二體感皮層、左側中腦島、舌狀迴（Lingual gyrus）等等。這些活化區域在過去研究中比較少受重視，但是也扮演了重要的角色，例如舌狀迴，位於枕葉視覺區，涉及較高階的視覺並且參與夜晚做夢的過程，而分析結果令人意外的顯示夜晚做夢的活化狀態與行走時spontaneous thought狀態十分相似。
根據圖五，分析發現spontaneous thought的活化，與大腦預設模式網絡以及額頂控制網路活化區域重疊，代表兩者之間可能存在相關性。先前提及大腦預設模式網絡spontaneous thought的活化已證實相關，而額頂控制網路與維繫心理健康的活動區域重疊[3]，也暗示了spontaneous thought與一些心理疾病的發生可能有關。
圖五
研究者歸納出許多特定區域活化與特定的spontaneous thought內容有關，例如：根據中前額葉皮質的活動規律，可以判斷為不同「效度」（valence）的情緒活動。
五、神經造影技術在了解阿茲海默症上的應用
阿茲海默症，常見的失智症成因，與類澱粉蛋白質(Beta Amyloid)以及Tau蛋白在大腦的沉積有關。Tau蛋白為成熟神經原理主要的微管相關蛋白（Microtubule Associated Protein, MAP），作用為穩定神經元中的微管系統，其表現量是受到磷酸化程度所抑制。在阿茲海默患者中，Tau蛋白的磷酸化程度高達正常人的三、四倍，這種過度磷酸化的情況除了抑制Tau蛋白表現之外，還會使Tau蛋白自動聚集為成對螺旋絲（Paired Helical Filament, PHF）和直絲（Straight Filament, SF），形成神經纖維糾結（Neurofibrillary Tangle）。
使用具有Tau蛋白專一性的正子放射造影（PET）追蹤劑，就能以非侵入的方法了解Tau蛋白的腦內沈積的模式，以及與類澱粉蛋白質、神經退化（Neurodegeneration）的關係。理想的追蹤劑應該要符合下列七種條件：
（一）與PHF-Tau蛋白高度親和
（二）具有針對PHF-Tau蛋白的高度專一性
（三）能夠穿過血腦障壁
（四）在正常的腦中會快速消散
（五）中等的親油性
（六）與皮層下白質的非專一性結合低
（七）低分解率
從2002年開始陸續發現了幾種追蹤劑，以下介紹：
（一）FDNNP
第一個被使用的追蹤劑。但是會非專一性的結合SF以及神經纖維糾結，而且敏感度較低。
（二）PBB3
此追蹤劑在臨床上被證實有足夠的放射性。除了阿茲海默症之外，PBB3還可以用來追蹤Tau蛋白造成的其他疾病，例如大腦皮質基底核退化症（Corticobasal Degeneration, CBD）。
（三）T807& T808
這兩者對於Tau蛋白都具有高度結合性、專一性，並且鮮少結合類澱粉蛋白塊。在較嚴重的阿茲海默患者腦中累積的T807以輕微患者多，顯示T807的累積程度與疾病的嚴重城相關。T808在腦中過散的速度很快，在正常大腦中消散的速度也快。
（四）THK-5105 & THK-117
這兩種追蹤劑都具有高度專一性，但後者具有比較高的訊噪比以及藥物動力學特性。下圖六為在三種不同阿茲海默症患者中，以THK-117顯影的圖。
圖六 使用THK-117顯影的大腦圖像。由左到右分別為輕微、中等、嚴重阿滋海默患者。
六、利用神經成影技術研究對立色彩神經
（一）簡介
加州大學的Stephan A. Engel使用核磁共振造影（fMRI），在人類大腦皮質上發現了色彩對比神經 （Color-opponent neurons ）的存在。色彩對比神經對於研究人類對色彩的理解分辨上，有非常重要的作用。此項研究不緊讓我們對色彩認知有更深層的認識，也賦予了神經成像技術新的功能與價值。
一般而言，視網膜上有三種視錐細胞，分別接收不同波長的刺激，不同細胞接收訊息加總起來，變成為我們所見到的各種顏色。這三種細胞分別為：長波視錐細胞、中波視錐細胞、短波視錐細胞，分別接收紅色系、綠色系、藍色系訊號。然而，除了上述較為大眾所知的系統之外，還存在另一顏色認知系統，即色彩對立理論，其中包括下列三種視錐神經細胞：
紅綠對立神經：受長波與中波視錐細胞輸出訊號的差異值所刺激，即紅色、綠色的量的差值，差值越高，刺激越大。
藍黃對立神經：受短波視錐細胞與長波、中波視錐細胞兩者訊號加總的差異值所刺激。
亮暗對立神經：受長波與短波視錐細胞輸出訊號的差異值所刺激。
（二）實驗方法
Stephan的研究團隊初步認為，大腦皮質視覺區的初級視覺區（primary visual cortex, V1）含有許多色彩對立神經，他們利用一連串核磁共振造影相關的研究來證明此事。
首先，他們用核磁共振造影測量受試者看到不同顏色、不同對比度下，產生的神經訊號，發現人腦對高對比度的顏色反應比較強烈，對不同顏色的反應大小也不相同。下圖七為其中幾項測量結果，可以見到，人腦對於高對比的圖案都會產生較強的反應。
圖七 核磁共振造影測量人腦對不同顏色與對比所產生的腦波訊號，橫軸為時間，縱軸為腦部反應訊號強度。研究者依序展示給受試者對比度低到高、黑白到彩色的圖案。
接著，研究者計算出對所有顏色都可以產生相同反應的刺激，而此反應強度為圖七實驗的最大反應強度的一半。為了產生相同反應強度，實驗會針對人腦較不敏感的色彩，給予更強的刺激，對較敏感的顏色則給較弱的刺激。如此一來，相同刺激、相同反應強度，只要用核磁共振造影測量不同視錐細胞的訊號量，就可以計算不同波長之間的關係，了解是否有色彩對立神經參與作用。下圖八是此實驗結果，可以發現，刺激曲線會構成傾斜的長方形。
圖八 能產生同樣反應強度的刺激。橫軸是長波視錐細胞的輸出訊號變化比例，縱軸是中波視錐細胞的輸出訊號變化比例。正值代表訊號增加，負值代表訊號減少。
（三）結果
圖八中b點代表長波、中波視錐細胞都受到強烈刺激，研究者發現大腦皮質在b點的反應不是很激烈。相對的，在a點，長波視錐細胞受到較強刺激，中波視錐細胞受到較弱刺激，但是大腦皮質表象強烈的反應。此結果間接證明了色彩對比神經在大腦皮質的存在，因為只有在a點——兩種視錐細胞受到的刺激差值很大——的時候，大腦皮質才會表象明顯的反應，這正是藍綠對立神經的特徵。這項研究賦予了神經成像技術新的用途：不只是找出神經反應的位置，而是進一步確認神經反應的機制。
貳、 研究組間變異的新方法：增加結果正確性的策略
一、前言
目前經常用來檢測組間變異性的工具為Anova(Analysis of variance) F test，當檢驗結果為不拒絕虛無假設時，Anova F test效能很好，但若結果為拒絕虛無假設時，有時候會檢測力不佳。因此，我們將介紹一些最近陸續被發表的測試，不論在檢驗結果為不拒絕虛無假設或拒絕虛無假設時，都可以保持良好的檢測力。 使用Anova F test分析時必須滿足三項先決條件：數據具有常態性、獨立性、變異數同值性（即母體為常態分佈、樣本為簡單隨機抽樣、各樣本必須取自變異數相等的母群），而以下三種情況經常造成Anova F test無法分辨真正的差異性：
（一）數據存在異常值、離群值（Outliers）
樣本中的離群值（極大值或極小值）容易造成Anova F test無法檢測出真正的變異性，且根據現在的研究指出，離群值是很常見的。通常母體出現離群值時，會大大降低Anova F test的檢測力。
（二）不對稱性（Skewness）
比較組與組之間的數據時，若有一組數據為不對稱（如：右尾分配），極可能造成Anova F test檢測力低落。
（三）組內的變異數 （Variation among each group）
若樣本來自兩組變異量不相同的群體，便違反Anova F test的三項先決條件，同時也會影響檢測力與結果的正確性。
二、替代的檢測方法
（一）檢測中位數（Medians）
把所有數按照大小依序排列，若樣本數為單數，中位數為數列正中間的數值，若樣本數為偶數，則為最接近中間的兩數值之算術平均數。相較於Anova F test比較的是組間的平均數，中位數較不受離群值的影響，也減少了不對稱性對檢測結果的影響。
當檢測母體為常態分佈，且無離群值時，中位數檢測法的檢測力會比Anova F test低。此時可使用下述方法。
（二）20%修飾法（20% Trimming）
20%修飾法是把數據依序排列，去除最大的20%及最小的20%數值，再根據剩下的數據比較組間的平均數。當我們去除越多邊界值時，不對稱性造成的不良影響就越小，當去除邊界值0到20%時，檢測力有顯著的成長，在20%之後其成長效果就趨緩，因此以20%為最好的去除比例。同時，去除邊界值也可以避免離群值造成的影響。 Wu（2002）用了24篇論文的數據來比較許多檢測方法的效力，然而他發現並沒有任何一個檢測方法是最有效力的，但在所有使用的檢測方法中Anova F test的檢測力明顯是很薄弱的，而使用20%修飾法的檢測力是最佳的。
雖然20%修飾法是個相當好的檢測方式，但仍有許多學者為此爭論，認為有許多更好的替代的檢測方式。例如非參數（nonparametric method）、排名（rank-based method）都在這幾年陸續被發表。還有許多像是只剔除離群值、或是為了避免不對稱性而只剔除最大的20%數據等。以上探討的方式都皆為組與組之間的比較，但若今天面臨的問題是A組高分群與B組高分群的比較、A組低分群與B組低分群的比較，以上方法皆無法得到有效力的結果，這種問題可以被shift function這種檢測方式解決，這個方法同時也是以上所述中，有潛力成為最具有檢測力的檢測方式。