數字感有什麼用？他把風靡千年的吠陀方形變立體了！

本文與  益福生醫 合作，泛科學企劃執行

昨晚，你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎？這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾，甚至在腦海中數了幾百隻羊，大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程，讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇：你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠，我們得先認識身體的一套精密防衛系統：下視丘-垂體-腎上腺軸（HPA axis） 。這套系統原本是演化給我們的禮物，讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時，能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動，腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙)，這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性，讓我們在危機中保持清醒 。

然而，現代人的「劍齒虎」不再是野獸，而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說，身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

在理想的狀態下，人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後，身體會進入「修復模式」，此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點，讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素（Melatonin）接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號，它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素（Orexin）神經元，幫助大腦順利關閉覺醒開關。

然而，當壓力介入時，這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出，長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化，使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌，更會讓食慾素在深夜裡持續活化，強迫大腦維持在「高覺醒狀態（Hyperarousal）」。 這種令人崩潰的狀態就是，明明你已經累到不行，但大腦卻像停不下來的發電機！

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升，而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸，分泌更多皮質醇來試圖消炎，高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期（REM），導致睡眠品質變得低弱又破碎，最終形成「壓力－發炎－失眠」的惡行循環。也就是說，你不是在跟睡眠上的意志力作對，而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關：PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局，科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系：腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路，這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」，而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便，更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話，直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」（Psychobiotics）。

在眾多研究菌株中，發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發，累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」（First Night Effect, FNE），也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難，俗稱認床。科學家在進行實驗時發現，補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期（NREM）的睡眠長度，且入睡更快，起床後也更容易清醒。更重要的是，不同於常見的藥物助眠手段（如抗組織胺藥物 DIPH）容易造成快速動眼期（REM）剝奪或導致睡眠破碎化，PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力，它能有效縮短入睡所需的時間，並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現，即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理（Heat-treated），轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」（Postbiotics），其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點，讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中，科學家觀察到一個耐人尋味的現象：當詢問受試者的主觀感受時，往往會遇到強大的「安慰劑效應」，無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人，主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相，讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而，客觀的生理數據（Biomarkers）卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後，實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人（84.6%）出現了夜間褪黑激素分泌增加，且壓力荷爾蒙（皮質醇）顯著下降，這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統，而不僅僅是心理安慰。

最值得關注的是，對於那些失眠指數較高（ISI ≧ 8）的族群，這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後，不僅生理標記改善，連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間，以及焦慮感也出現了顯著的進步。

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重新定義深層睡眠：構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息，而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠，關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石，始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境，到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統，並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現，身體便能更順暢地啟動睡眠開關，回歸自然的運作節律。

與其將失眠視為意志力的抗爭，不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持，每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始，為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

• 文／郭君逸 │國立臺灣師範大學數學系副教授

編按：說到乘法，我們很快都會想到國小的共同回憶「九九乘法表」。背誦它對我們來說可能是一位數相乘最快的解方，多位數我們就用直式乘法運算。但如果是超超超超超超超級多位數互相相乘呢？有沒有更快的方法？

對於人腦來說可能大位數的乘法已經沒有意義，但對於電腦來說，有新的乘法方式可是大大的不一樣！三月時有數學家發表了有史以來將大數字相乘最快的新乘法方式，讓我們一起來一探究竟吧！

從「九九加法表」與「九九乘法表」談起

我們在國小時的數學，一開始就會先學「數數」，要會數 1、2、3、⋯接下來才能學加法，例如：8+5 就是 8 往後數 5 個…9, 10, 11, 12, 13，所以 8+5=13。但每次都這樣做建構式的加法太慢，成不了大事，於是大家就背了「九九加法表」（雖然老師沒提這個表，但事實上大家的確都背了！）來快速處理一位數的加法，後來再學直式加法搭配進位，就能夠計算多位數的加法。

學習乘法也是差不多的歷程。正整數的乘法其實本質就是「重複做很多次加法」，例如 6 × 4 其實就等於 6+6+6+6 或是 4+4+4+4+4+4，但很快地我們馬上就會發現這樣做建構式的乘法，速度太慢，成不了大事，於是大家就背了「九九乘法表」來快速處理一位數的乘法，然後再學直式乘法搭配進位，來處理多位數的乘法。

加法跟乘法我們都可以做到高位數，但究竟是加法比較快，還是乘法較快呢？

到底要算幾次？加法與乘法運算次數比較

若是一位數對一位數的話，當然是一樣快，因為「九九加法表」跟「九九乘法表」我們都倒背如流了；但當「2 位數加 2 位數」與「2 位數乘 2 位數」來比呢？

明顯乘法的運算次數一定比加法多，光直式乘法最後的 522+3480 就超越了 87+46 的加法數，何況還要做 7×6, 8×6, 7×4, 8×4 四次乘法；然後 7×6 與 8×6 也要做一個加法才能算出 522，7×4 與 8×4 也一樣。

一般來說 n 位數加 n 位數，連進位都算進去的話，要做 2n-1 次一位數加法；但 n 位數乘 n 位數的話，最多會用到 2n(n-1)的一位數加法，與 n² 次的一位數乘法。可見，乘法的運算次數是隨著位數的平方成長，所以計算乘法比較慢。

Karatsuba以加減法取代乘法，加快運算速度？

1960年，俄羅斯的大數學家 Andrey Kolmogorov 在一次研究討論中提出他的猜測（n 位數的乘法必須用到至少 n² 數量級的一位數乘法），例如 2 位數乘以 2 位數必須進行 4 次一位數乘法，他認為不能再快了。

結果一個禮拜後他的學生 Anatoly Karatsuba 就推翻這項猜測，找到僅需 3 次一位數乘法的計算。以 87×46 為例，Karatsuba 的方法是這樣的，先算十位相乘 8×4=32，與個位相乘 7×6=42，這個部份與傳統直式乘法一樣，但他卻只用了一次乘法就算出了 8×6和 7×4 且同時把它們加起來。我們先把傳統直式乘法改成如下：

中間的方框就是要計算 8×6 加 7×4，Karatsuba巧妙的用 (8+7)×(4+6)- 8×4-7×6 來達到同樣的效果。注意到，上式中只有第一個乘號要算，後兩個剛剛已經算過了，也就是說 Karatsuba 用一個加法與兩個減法取代了一個乘法。讀者這時可能會想說，拿一個一位數乘法去換三個加減法，又不是頭殼壞去，這樣不是反而慢嗎？

我們來看一下 4 位數的情況， 2531×1467 一樣先算 25×14 與 31×67，然後中間的 25×67+31×14 用 (25+31)×(14+67)-25×14-31×67 計算，最後加總起來。

如同前面的分析，此處一樣用到三個二位數乘法，而每個二位數乘法又用到三個一位數乘法，所以總共用到 3×3 =9 次一位數乘法。因此一般 n 位數的乘法，用這種技巧，可以只用到

3^log₂ n=n^log₂ 3=n^1.58

個一位數乘法。位數越高，用到的一位數乘法數就會越接近 n^1.58 的常數倍。對於人來說，因為把一個乘法換三個加減法，並沒有比較快，何況還要遞迴的操作；但是，對電腦而言就不是這樣了。

電腦運算的本質：二進位

電腦的本質上是二進位的系統 （哪有！我用電腦這麼多年，沒看到什麼二進位啊！那是現在電腦發展很快，事實上隨便顯示一張小圖、或一個字，背後都做了數百萬次的二進位運算。）而電腦的加法是用位元的邏輯運算來達成（也就是 AND、OR、XOR、NOT、Shift 這些東西來組成的），而位元邏輯運算超快，詳細我們就不說了，總之電腦的加法非常快。

那電腦的乘法，真的是用 Karatsuba 的方法嗎？其實也不是，我們先來看一下 8 位元的電腦怎麼做乘法好了。以 11 乘以 14 來說，化成二進位變成 00001011 與 00001110 （前面要補 0，因為 8 位元的電腦它就是用 8 個位元儲存數字。）

這不就是直式乘法嗎？這樣哪有比較快？有的。因為人類習慣十進位，所以要背「九九乘法表」；電腦用的是二進位，所以要背「一一乘法表」！！沒錯，所以等於不用背，二進位的直式乘法，其實只是被乘數的平移，然後加起來而已，換句話說，其實乘法，也是一堆位元邏輯運算而已，所以也是超快的。

那 Karatsuba 的方法用在哪呢？用在很大很大的數字相乘的時候。電腦的乘法雖快，但 8 位元電腦，最大就只能處理 2⁸－1＝255 以內的乘法，乘完後超過 255 的話就不能處理了，16位元電腦最大可以處理到 65535 以內的數，而現在的64位元電腦就可以處理到……一個非常大的數，呵呵。

那超過電腦能處理的數的話，到頭來，還是要用傳統的方法來處理，為了不要讓數字太大，我們以 8 位元的電腦為例，處理數字就會看成 256 進位來處理，533×499 就會變成

所以當數字大的時候，這時 Karatsuba 的方法就有用了。

值得一提的是，當電腦硬體從 8 位元升級到 16 位元時，軟體若沒有改成 65536 進位的話，而用 16 位元電腦來存 255 以內的數，前面就會補了更多的 0，處理起反而會浪費時間。而若軟體有跟著處理成 65536 進位的話，533×499 就會變只有位元邏輯運算而已，會超快。這就是為什麼電腦硬體剛進入 64 位元時代時，軟體沒有跟上的話，執行程式反而變慢的原因。

歷經三十年的演算法改進

OK，我們再回來乘法的問題。Karatsuba 的方法，在數字大的時候的確可以加快乘法，以一千位數的乘法來說，此法的速度大約是傳統乘法的 17 倍。

隔年，1963 年，A. L. Toom改進到了 ；後來 1966 年 Arnold Schönhage 用了新的方法推進到；1969 年 Knuth（沒錯，就大家所知道的Knuth），改進到。

後來 1971 年，Schönhage 捲土重來，與 Volker Strassen 利用快速傅立葉變換改進為 O(nlogn log logn)，此為有名的 Schönhage–Strassen algorithm，在差不多三萬位數以上的乘法，會比 Karatsuba 方法還要快。此法也是目前大數字乘法的主流，著名的梅森質數搜尋網（Great Internet Mersenne Prime Search，在 2018 年 12 月找到第 51 個）就是用 Schönhage–Strassen algorithm 來達到快速乘法。

隔了三十幾年，一直到了2007年，Martin Fürer一樣是用快速傅立葉變換，將複雜度下降到了O(n (log n) 16^log*n)，其中 log*n 就是 n 取幾次 log 會讓這個數小於 1，這是一個成長很慢的函數，基本上可以視它為常數了。

最後最後，David Harvey 與 Joris Van Der Hoeven 寫了幾篇的論文，把這個結果改成 O(n(logn)8^log*n)，然後 O(n(log n)4^log*n)，直到 2019 年，終於證明了 Schönhage 與 Strassen 的猜測 O(n log n)。

Volker Strassen 的大矩陣乘法

值得一提的是，Volker Strassen 除了是「大整數乘法」的始祖外，他也是「大矩陣乘法」的始祖（筆者寫到這裡，不自覺的跪了下來）。以 2×2 的矩陣來說，傳統計算

時，由於 x = ae + bg, y = af + bh, z=ce + dg, w=cf+dh，總共需要 8 次的乘法，但 1969 年，Strassen說，先計算下面 7 個值，

然後讀者可以自行驗證

因此只用了 7 個乘法就完成了。天啊！這是怎麼想到的！

一般 n×n 矩陣乘法，用 Strassen algorithm 只需要 O(n^log7) = O(n^2.8) 次乘法。從此大家才知道，原來矩陣乘法竟然可以比 n³ 還要快，矩陣乘法的改進也有相當精彩的發展歷史，詳細就不再一一介紹了，目前最好的結果是 2014 年 François Le Gall 的 O(n^2.3728639)。

演算法已經超越所需要的計算尺度啦

不管是大整數乘法，或大矩陣乘法，目前都是以 Schönhage–Strassen algorithm 與 Strassen algorithm 為主流，沒有採用後來看起來較好的方法主因是後來的方法太複雜，且要在很大很大很大的整數、矩陣執行效能才會比較好，已經超越了人類目前所需要的計算尺度。另一方面，電腦硬體的發展快速，會直接把這些演算法寫到晶片，變成指令集，讓程式直接呼叫，甚至是多條相同的指令可以平行處理，經由硬體的加速，乘法的速度已經超越了演算法改進的速度了（尤其是矩陣的乘法）。

不過只要還沒達到所謂的最佳解，相信數學家們都還是會繼續為數學理論極限而努力。

參考文獻

• Schönhage and V. Strassen. Schnelle Multiplikation großer Zahlen. Computing, 7:281–292, 1971.
• Fürer. Faster integer multiplication. In Proceedings of the Thirty-Ninth ACM Symposium on Theory of Computing, STOC 2007, pages 57–66, New York, NY, USA, 2007. ACM Press.
• David Harvey, Joris Van Der Hoeven. Integer multiplication in time O(n log n). 2019. hal-02070778