超越效率的思考:AI 時代保留「手寫」筆記的神經科學證據

Post Title Image (圖說:準備開箱 Remarkable Paper Pro。圖片來源:Ernest。)

✳️ tl;dr

  • Ernest PKM 1 有提到我仍保有紙本筆記,以及搭配使用數位手寫筆記。
  • 去年添置了一疊紙 reMarkable Paper Pro 也是以手寫為基礎。
  • 總有個感覺是,在成堆混雜的資訊中,一但某個時刻我想要靜一靜釐清當下的複雜認知,
  • 通常會抱著某個手寫工具,戴上降噪耳機,靜坐幾分鐘,然後開始動筆嘔吐輸出、分類、比較,
  • 總能理出個頭緒。就算沒長出脈絡,也長出了個枝枒。
  • 但感覺總歸是感覺,總想要找個歸因(哎,算一種壞習慣嗎,總之是種習慣動作,在台積的 root cause 習慣養成太扎實了

  • 找著找著,找到了 Dr. Audrey van der Meer 2 長期關注這個領域,
  • 以下是她 2024-01 發表的一篇研究結果。 34
  • 研究記錄了 36 名大學生使用數位筆手寫和鍵盤打字時的腦電活動。
  • 手寫時大腦連接模式比打字時更為複雜精細
  • 手寫產生廣泛的 theta/alpha 頻率連接性模式,這些模式對記憶形成和學習至關重要。

  • 神經過程不是局部和靜態的,大腦以高度動態的功能方式組織。
  • 高密度 EEG 研究皮質振盪被視為當代系統神經科學不可或缺的部分。
  • 特定頻率的複雜交互被認為反映了不同的認知過程。
  • 神經元發射的時間組織對於在海馬體形成長期記憶至關重要。
  • 事件相關同步化 (ERS) 和事件相關去同步化 (ERD) 可在 EEG 記錄中觀察到。
  • 手寫涉及更複雜的手部動作,可能比打字更有利於學習

  • 40 名二十歲出頭的大學生參與研究,最終 36 名學生的數據品質良好可用於分析。
  • 為避免兩個大腦半球間的交叉效應,僅納入右手使用者參與研究。
  • 使用 E-prime 2.0 軟體在 Microsoft Surface Studio 上個別顯示 15 個不同的 Pictionary 單字。
  • 參與者使用數位筆在觸控螢幕上以草寫體手寫,或使用鍵盤打字輸入呈現的單字。
  • 實驗共 30 次試驗,每個單字以隨機順序出現在兩種不同條件下。
  • 每次試驗給予參與者 25 秒時間重複手寫或打字單字,但 EEG 僅記錄前 5 秒。
  • 為防止視線移動造成的偽影,打字時輸入的單字不會顯示在螢幕上。
  • 使用含 256 個均勻分布電極的 Geodesic Sensor Net 記錄 EEG 活動,採樣率 500 Hz。
  • 使用 BESA 軟體分析 EEG 數據,運用球面樣條插值處理移動偽影。

  • 手寫接受的平均試驗數為 14.1 次(標準差 1.1),打字為 13.3 次(標準差 1.3)。
  • 應用相干性 (Coherence)(連貫性) 測量,產生對稱連接矩陣顯示成對聚類。
  • 手寫與打字在連接性上存在顯著差異,主要在 theta (3.5-7.5 Hz) 和 alpha (8-12.5 Hz) 頻段。
  • 手寫時在頂葉和中央腦區出現廣泛的 theta/alpha 連接相干性模式。
  • 連接矩陣顯示頂葉右側、頂葉中線、頂葉左側與中央右側、中央左側之間有廣泛連接。
  • 頂葉和中央腦區與注意力機制、視覺感知的認知過程以及語言處理相關,並與感覺運動皮質有強連結。
  • 手寫條件下發現 32 個顯著聚類差異,代表 16 個顯著連接。
  • 網路測量顯示手寫時樞紐 (hubs) 有較高程度的網路參與(≥4 個連接)。
  • 手寫相較於打字顯示更廣泛的 theta/alpha 連接模式,表明更強的連接性。

  • 手寫時增強的腦部連接性僅出現在手寫而非按鍵時,證明手寫促進學習。
  • Theta/alpha 連接模式可能表示手寫和打字涉及不同的神經網路。
  • Alpha 頻段連接性與長期記憶表現相關,theta 連接性與工作記憶和理解新資訊能力相關。
  • 低頻率特別適合促進大腦長距離溝通,theta 振盪可能控制 gamma 振盪的發生。
  • Theta 同步性支持記憶形成期間的資訊整合,低頻同步對認知至關重要。

  • 手寫需要對手指的精細運動控制,迫使學生關注自己在做什麼。 👉 認知
  • 打字需要機械性重複動作,用速度換取覺察力。 👉 效率

  • 手寫動作產生的視覺、運動指令和本體感覺回饋的時空模式在打字中缺失。
  • 教育環境中用打字取代手寫可能對學習過程產生負面影響。

✳️ 知識圖譜

(更多關於知識圖譜…)

%%{init: {'theme':'default'}}%%
graph LR
    %% Concept Classes in Orange
    Handwriting[Handwriting]:::concept
    Typewriting[Typewriting]:::concept
    BrainConnectivity[Brain Connectivity]:::concept
    NeuralNetworks[Neural Networks]:::concept
    MemoryFormation[Memory Formation]:::concept
    Learning[Learning]:::concept
    SensorimotorIntegration[Sensorimotor Integration]:::concept
    CognitiveProcesses[Cognitive Processes]:::concept
    MotorControl[Motor Control]:::concept
    
    %% Instances in Blue
    HighDensityEEG[High-density EEG]:::instance
    ThetaOscillations[Theta Oscillations 3.5-7.5Hz]:::instance
    AlphaOscillations[Alpha Oscillations 8-12.5Hz]:::instance
    ParietalRegions[Parietal Regions]:::instance
    CentralRegions[Central Regions]:::instance
    NetworkHubs[Network Hubs]:::instance
    NetworkNodes[Network Nodes]:::instance
    DigitalPen[Digital Pen]:::instance
    Keyboard[Keyboard]:::instance
    WorkingMemory[Working Memory]:::instance
    LongTermMemory[Long-term Memory]:::instance
    Coherence[Coherence Measure]:::instance
    VisualMotorCoordination[Visual-Motor Coordination]:::instance
    ProprioceptiveFeedback[Proprioceptive Feedback]:::instance
    
    %% Handwriting relationships
    Handwriting -->|requires| MotorControl
    Handwriting -->|activates| SensorimotorIntegration
    Handwriting -->|enhances| BrainConnectivity
    Handwriting -->|uses| DigitalPen
    Handwriting -->|produces| VisualMotorCoordination
    
    %% Typewriting relationships
    Typewriting -->|uses| Keyboard
    Typewriting -->|involves| MotorControl
    Typewriting -->|produces limited| BrainConnectivity
    
    %% Brain Connectivity relationships
    BrainConnectivity -->|measured by| HighDensityEEG
    BrainConnectivity -->|assessed via| Coherence
    BrainConnectivity -->|forms| NeuralNetworks
    BrainConnectivity -->|facilitates| MemoryFormation
    BrainConnectivity -->|involves| ThetaOscillations
    BrainConnectivity -->|involves| AlphaOscillations
    
    %% Neural Networks relationships
    NeuralNetworks -->|contain| NetworkHubs
    NeuralNetworks -->|contain| NetworkNodes
    NeuralNetworks -->|located in| ParietalRegions
    NeuralNetworks -->|located in| CentralRegions
    
    %% EEG measurements
    HighDensityEEG -->|detects| ThetaOscillations
    HighDensityEEG -->|detects| AlphaOscillations
    HighDensityEEG -->|records from| ParietalRegions
    HighDensityEEG -->|records from| CentralRegions
    
    %% Oscillations and Memory
    ThetaOscillations -->|supports| WorkingMemory
    AlphaOscillations -->|correlates with| LongTermMemory
    
    %% Memory and Learning
    MemoryFormation -->|enables| Learning
    WorkingMemory -->|contributes to| MemoryFormation
    LongTermMemory -->|results from| MemoryFormation
    
    %% Sensorimotor Integration
    SensorimotorIntegration -->|requires| VisualMotorCoordination
    SensorimotorIntegration -->|depends on| ProprioceptiveFeedback
    SensorimotorIntegration -->|engages| CognitiveProcesses
    
    %% Cognitive Processes
    CognitiveProcesses -->|support| Learning
    CognitiveProcesses -->|reflected in| ThetaOscillations
    CognitiveProcesses -->|reflected in| AlphaOscillations
    
    %% Motor Control
    MotorControl -->|involves| VisualMotorCoordination
    MotorControl -->|generates| ProprioceptiveFeedback
    
    %% Styling
    classDef concept fill:#FF8000,stroke:#CC6600,stroke-width:2px,color:#000
    classDef instance fill:#0080FF,stroke:#0060CC,stroke-width:2px,color:#FFF

✳️ 延伸閱讀