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閒話腦神經科學_神經科學與建築
by 陳怡蓁, 2012-08-28 16:09, Views(802)

神經科學與建築

 

臺灣大學  謝豐舟教授

  從早上睡醒張開眼睛到夜裡上床睡覺,從出生到繳回身分證,我們都脫離不了各式各樣的建築以及它們所涵蓋或附屬的空間:包括住家、學校、公司、車站、機場、醫院、公園……。高聳入雲的哥德式教堂讓你覺得更接近上帝;走在椰林大道,你不由得感受到大學的氛圍,二二八紀念碑則讓你重回歷史上的那一天。

    

今天你的dispositions如何

 建築除了提供遮風蔽雨的生活空間活動的場所,建築空間對人類的認知(cognition)與感知(perception)有著顯著的影響。人類對建築空間的感受是感覺訊息(sensory inputs)、記憶(memory)、情緒(emotion)以及所有相關肌肉運動(any related muscle movement)的綜合,這種經驗Antonio Damasio稱之為dispositions。這個綜合經驗就存在於我們的潛意識(subconsciousness)裡,等待著與下一次的經驗互相比較。

  每天早上我們走進自己的辦公室,前一次待在辦公室的dispositional records就會重新浮現,這裡面會包括了所有的情緒經驗。譬如昨天你在辦公室裡被上司K了一頓,今天走進辦公室,昨天那段不愉快的經驗可能讓你覺得不如歸去。下班時你走出辦公室,腦子裡就多出了一份新的dispositional records,加入了今天你在辦公室的所有經驗。也許今天你心儀多時的同事對你回眸一笑,改變了你原本不大愉快的dispositional records明天早上你可能吹著口哨,走進那間什麼也沒改變的辦公室。

  建築是一門相當古老的學問從金字塔以降,人類不知完成了多少各式各樣的建築。不過,數百年來,在建築的一些基本物理原則被發現之後,建築學的基本概念幾乎沒什麼改變。如何建築有利於病患痊癒的醫院如何建築有利於學習的學校截至目前,仍然是依照著直覺intuition)來設計。

 

建築學與神經科學的創新結合

近十年來,神經科學呈現爆炸性的成長,有人開始嘗試以神經科學的觀點來探討建築學。畢竟就如前面所言,建築空間對人類的影響,是在人們的腦子裡留下了綜合經驗,如果我們能夠知道人腦如何感受一個建築空間,可能大大有助於建築學的進步。200358日在美國聖地牙哥的美國建築研究院(American Institute of ArchitectsAIA)年會,開始一項空前的嘗試建築神經科學學院(The Academy of Neuroscience for Architecture, ANFA)正式成立。此一非營利機構的宗旨是在連結古老的建築學與新穎的神經科學,希望能夠瞭解人類對一個建築空間如何感知及反應。要達成這個目標,可能還有很長的路要走,不過相信這項嘗試終將對建築師設計建築空間有深遠的影響。

                 

  首先,我們從三個方向去探討建築與人腦的關係:

第一個方向是Healing by design如何設計建築空間以協助病患康復初期是以阿茲海默症(Alzheimer’s Disease)為目標,希望透過較佳的建築空間設計,使這些失智的病人重拾一些記憶,能夠過著較為獨立自主的生活,甚至延緩疾病的進行。

  第二個方向是 Leaning by design如何設計有利於學習的建築空間。以前的研究已經證實:教室裡採用自然光線學童的考試成績比採用人工照明會來得好。有人推測自然光線會促進記憶,若能了解其中的機制,可能有助於建築師設計出最有利於學習的空間。

  第三方向是Innovation by design-如何設計最能激發創新點子的建築空間。發明小兒麻痺疫苗的Jonas Salk博士,將他的突破歸功於他在義大利宗教聖地Assisi的修道院的體驗。在研究機構裡如何設計出能夠增進互動與腦力激盪的空間俾能激發創意,有待我們對創意與建築空間的神經學基礎的研究。

  此外醫院環境與病患健康狀態以及醫療工作人員行為之間的關係愈來愈受到關注,例如窗戶與日光對痊癒過程及認知功能的影響室內設計與功能對病患預後以及工作人員表現的影響隱私對病患預後的影響複雜建築內的導航系統……等等都是值得研究的課題。

神經學上記憶memory)和導航navigation)與建築學上空間創造placemaking)以及找路wayfinding)的概念有著緊密的關連。神經影像技術,例如功能性磁振共振造影(fMRI)可以用來檢視人腦對建築學上的元素例如節點nodes)、地標landmark)以及失落空間lost space)的神經學反應。動物實驗顯示:停止點stopping points)可以作為空間創造placemaking)之處;特別是如果此處能供停留和互動更是空間創造的理想地點。在導航方面,能夠鼓勵各種行為的立體物件比平面物件(如牆壁顏色)更能提供導向的指引(cue)。學者也發現空間是依據其認知近似性(cognitive proximity)儲存於記憶中,而非依據其所在位置的距離。此外,障礙(barrier)會減少運動(movement)。理論上,建築的流暢(free flow)會導致意念的流暢。善用能夠創造近接空間contiguous space)的元素才能創造出多方面的流暢性。

環境中有許多元素會扮演衝擊者(stressor)的角色,例如疾病、恐懼、性別都會影響認知、記憶、導航,甚至免疫反應與健康狀態。善用建築空間的衝擊者可能有助於加強或放鬆病患的警覺度(alertness)。如何把相關的知識,從實驗及行為的觀察所見、社會學及心理學的研究以及臨床及基礎科學的發現有效地運用於建築實務上,可能必須透過所謂轉譯性方法translational methods),就如同醫學上的轉譯性研究(translational research)來連結基礎研究與臨床試驗。經由這些努力也許我們終能發現設計的可信基本原則,進而找到可以達成有效而且可預測的建築方案的知識突破。

 

建築設計與疾病治療以失智症為例

隨著高齡化人口的增加,失智症(阿茲海默症)日漸受到重視。雖然神經科學近年來有爆炸性的成長,但絕大部分神經科學研究都集中在疾病本身,卻少有人關注到:如何利用神經科學的知識,來改善這些失智者所生活的環境。

失智症患者生活空間的問題可以從幾個方面來加以探討:一生理及身體能力(physiology & physical ability);二記憶(memory);三知覺感受(sensory perception);四認知標示(cognitive mapping)。我們可以從以下幾個切入點來思考如何協助失智者的生活

 

保存記憶(preserving memory

失智症雖然影響認知功能的許多面向,但最先明顯開始走下坡的是記憶的能力。這些患者在講出物件名字或字詞方面有困難,在回憶過去的事件以及計畫和組織也都有障礙。經由對人類如何使用知覺資訊(sensory information)來提示記憶擷取(to cue memory retrieval)的了解,學者提出保存失智症患者記憶的一些假說:

 

1.引發行動(orienting toward activity

人腦到底如何認知外界的資訊,並且據以決定如何應對呢?視覺資訊能否讓人知道自己身在何處並且引發適當的行動呢?直接的視覺接觸會引發所期望的行動嗎?當一個廁所呈現在失智症患者的眼前,這個視覺資訊是否會指引他去使用呢?房間裡面有扇窗子是否能讓人知道時間並採取適當的行動:諸如在早晨起床時穿著打扮或去餐廳進食?以上這些問題的探討有助於了解人腦如何辨識物件並應用這個認知,從此衍生的知識可能對設計工作大有助益。

 

2.運用程式記憶(engaging procedural memory

學者建議:若能提供文化上相關的活動及空間,就可以增加社會接觸(social engagement)並改善生活品質。從小就有的活動,例如家庭用餐以及某些社交活動可能深植於腦中(hardwired)而成為習慣性的程式(habitual procedures)。這些程式記憶可能儲存在基底核(basal ganglia)等處。基底核是掌管習慣的腦區,相較於掌管事件及事實的海馬迴(hippocampus),基底核比較不受阿茲海默症的影響。透過適當的指引和活動也許能夠協助失智症病患重拾這些習慣及例行性行為,即使他們其他的記憶已經受損嚴重。到失智症後期,患者辨識字詞或簡單片語的能力仍然存在。因此標記(signage)可能是擷取程式記憶的有用指引如果此說屬實,建築師可以將正確的視覺或其他性質的指引整合在設計中來協助失智者重拾程式記憶,使他們能夠進行更多的日常活動。

 

3.找對路(finding the way

  失智症患者常常失去找路的能力。找路這個重要的技巧需要許多執行功能(executive function);諸如計畫(planning)及選擇性注意力(selective attention)、協調及指導個人的活動。當失智症患者的額前葉皮質(prefrontal cortex)日漸衰敗,這類執行功能逐漸失去,找路就變得困難。

  學者假設特殊的顏色及空間指引能幫助人去分辨個人及公共空間,也能幫助人在一個設施中找路。神經科學家假若能夠找出最有用的視覺指引或其他知覺指引:包括聲音、觸覺,甚至了解這些指引如何最有效地用來協助失智者的找路,對於設計失智者的生活空間將大有助益。

 

4.些許光線(a little light

1999Heschong Mahone Group的研究顯示:在自然光線照明的課堂中,學童接受標準化測驗的成績比在人工照明的課堂來得要好。有人推測這是因為自然光線照明會增進記憶。如果此說屬實,到底其機轉為何?而自然光線照明也許可以用來協助設計出能夠增進失智者記憶的設施。

 

5.五種知覺(Five senses

  失智症末期,病患會出現失識(agnosia),也就是失去看出普通物件的能力(loss of the ability to identify common objects by sight)。失識並非盲目(not blind),病患仍可照圖描繪他們叫不出名稱的物件,也能講出該物件的性質(例如顏色)。他們也沒有失去字義記憶(semantic memory);當聽到一個物件的名字時(例如貓),他們還有可以做出適當的描述。失識者(agnosics)腦部的枕葉及顳葉中,視覺呈現的高階功能受損。此一功能在正常情況下可以讓我們能藉由視覺毫不費力地辦識物件。不過,失識者還是能夠藉由其他感覺辨識物件,例如,藉由觸摸或聽到物件發出的聲音,失識者能夠辨認他們經由視覺不能辦識的物件。如果環境能提供視覺以外的指引,失智者也許可以過著較為獨立的生活。當失智者不能憑視覺辨認鞋子時,如果鞋櫃能設計離開地面的較高位置,他也許可以經由觸摸到鞋子而加以辨認,從而使他能進行穿鞋的動作。

  在正常人多種感覺指引(multisensory cues)有助於感知工作(perceptual task)的執行。不過在失智者可能並非如此。失智症會導致各種知覺的損壞,失智症患者可能較易處理比較單純的環境刺激,因此到底同一時間較多的感覺刺激是否有助於失智者患者還屬疑問。有人認為使用有圖案且色彩明亮的地毯,有助於失智者的活動,但此舉純屬臆測。也許這種地毯因為給予太過複雜的知覺訊息,反而讓失智者搞昏了頭。到底多重知覺訊息能否協助失智者找到目的地?到底何種知覺訊息(視覺、聽覺、嗅覺或觸覺等)對指引失智者最為有效都仍待研究。

  失智症專家曾經成功地利用行為調適(behavior conditioning)來協助失智者重新學習某些活動,例如在餐前透過廣播系統播放相同的歌曲,或者訓練失智者利用指示卡以做為指引。這些調適方法藉由激發他們腦子中尚未被破壞的神經迴路來記取訊息。如果對如何促進重新學習的神經機制有更多的了解,則建築師可以一方面減少建築的複雜性(使失智者不致混淆),另一方面提供適當的感覺指引(有助於失智者與環境的互動)。

  一般而言失智症者的字義記憶(semantic memory)比空間記憶受損較少。因此如何在空間設計中利用失智者較佳的字義記憶來協助他們的活動也是研究的方向之一。字義記憶即是所謂Kitchen-ness。為什麼廚房是廚房?是因為看到餐桌和椅子嗎?是聽到廚具的聲音嗎?是現烤麵包的香味嗎?是橘子汁的味道嗎?如果能利用適當種類及數量的感覺指引,失智者的字義記憶也許可以被重新擷取,例如藉由聲音、氣味來使他們知道這是廚房(kitchen-ness),進而鼓勵他們從事與該空間相符合的活動例如進食。

  前述這些問題都對設計有相當深遠的影響。不少失智者的住處都設計成小小的公寓,俾使他們較易獨立生活。不過這種公寓通常把不同房間的功能放在同一空間(例如起居室的牆壁就是半套的廚房),這樣的設計與居住者從前的居家截然不同,如此是否終將不利於失智者的預後,是值得考量的問題。失智症對字義記憶的影響如何研究的愈透澈,愈有助於建築師利用字義記憶來設計出對失智者最有利的生活空間。

 

6.活動空間(Room to move

失智者身體活動的減少通常是由協調性活動(coordinated movement)的小問題開始,這是因為額葉與運動皮質退化的結果。隨著疾病的進行他們身體活動的能力惡化到必須他人協助才能進行簡單的日常活動例如穿衣進食。身體活動能力的惡化也伴隨其他的生理症狀包括體重下降,睡眠中斷,失去肌肉控制,因此如何協助失智者的身體活動也是設計的要素之一。

 

7.讓他有光Let there be light

隨著疾病的進行,體重下降變成失智者的一個大問題由於眼眶額葉區(orbitofrontal)及枕葉區(occipital area)的退化失智者越來越難以藉由社會、生理或其他指引來提醒自己進食這個難題也許可以經由增加用餐區域的光照來改善一方面較好的光照可以使視覺日益不良的失智者看得更清楚,從而獲得刺激食慾的視覺指引另一方面,較好的照明可以使失智者看到別人在進食從而獲得社會指引來刺激飢餓感。

 

8.戶外活動萬歲(the great out

  增加身體活動已知可以促進健康延長壽命隨著心智及體力的惡化,失智者的自發性身體活動越來越少,加上安全的考量失智者的活動更受到限制某些機構例如美國賓夕法尼亞州Oakmont的阿茲海默症者專用住宅Woodside Place Alzheimer’s Residence經由特別的設計例如戶外的迴路(outdoor looping paths讓失智者能安全地自由活動,也由於這樣的環境失智者較有自發性的意願在戶外活動到底人類對戶外活動是否有天生的需求如何使失智者願意增加身體活動?經由這些研究建築師可以設計出使提高失智者活動意願而且安全無虞的戶外環境。

 

9.寵物與兒童

  長久以來寵物被認為有益於退休社群中的高齡者不少研究都顯示寵物的存在可以降低壓力血壓及膽固醇,增加身體活動這些益處對失智者亦然1989年醫護科技三一學院(Trinity College of Nursing and Health Science)的Jacqueline Stolley及其同事對一群(12位)居位於收容機構的失智者所做的研究顯示一隻狗的存在顯著增加他們的社會互動過去20年這個觀察屢被證實,因此許多長期照護機構都有寵物,進行所謂寵物治療pet therapy同樣地兒童的存在也有益於失智者許多研究顯示包括老人及小孩的跨世代的活動會增加社會行為並改善失智者的情緒。為何寵物與兒童對失智者有這種效果,值得探討如何在養護機構創造有利於引進寵物與兒童的空間環境將是建築師設計的重點。

 

10.魔術數字(the magic number

  長期照護機構常以分群方式促進居住者的身體活動與社會互動到底一個群體要包括多少個成員最為合適15個人一群比9個人一群好嗎?這些都是有待探討的課題如果能決定最適當的成員人數,建築師就可以考慮據此設計,以發揮群體最大的效果。

 

11.認知標定與設計(cognitive mapping and design

  從A點抵達B點的能力是一種非常重要的認知技巧這看似簡單的技巧包含許多小的工作諸如知道自己要去哪裡瞭解如何抵達那裡,具有協調運動的能力以使自己到達所期望的目的地,最後在抵達目的地時能自己知曉。這些找路的各種工作能力在失智者都受到損傷了解認知標定(cognitive mapping亦即腦子內能呈現環境中不同地點的空間關係的能力,將有助於創造比較可讀legible)的空間,俾有助於失智者找路

 

平衡挑戰與能力(Balancing challenges and abilities

  研究老化的心理與社會層面的先驅已故的M. Powell Lawton提出環境障礙environmental press)的觀念環境障礙意指環境中會使活動變難的挑戰這些挑戰永遠必須與使用者的調適能力取得平衡,例如養護機構環境中的一小段階梯就足以對活動能力不佳的失智者構成一個難以克服的環境障礙一個設計良好的設施會使環境障礙降低

進而改善日常生活的品質要界定失智者的環境障礙很不容易,因為失智症有不同的階段並且個人差異甚大。如何設計出大部分人可以適用的空間就是最大的挑戰。

  一個設施的許多面向都會影響環境障礙,例如房間、地面、共用區域的規劃與設計學者特別注重如何降低社會互動的環境障礙,他們提出兩個研究課題:

1.用餐方式

營養與食物攝取是失智者健康的一大難題失智者用餐的方式是否會影響他們的食量從而影響他們的健康?學者希望比較餐館式與家庭式兩種用餐方式對失智者的進食有無影響餐館式是三、四個人一同進食而且由人侍應家庭式則是八到十個人互相傳遞大盤食物各自取用學者假設家庭式可能比餐館式用餐對失智者較用正面,但仍待證實。

 

2.社會互動與健康:

社會互動已知與健康有關理論上較大群體的互動可能有助於失智者的生活不過前面提到也許小群體比較有利於失智者的互動,因為大群體的互動對他們而言可能過於複雜因此對失智者最為適當的群體大小是有待研究的課題,以找到環境障礙最低的群體生活。