從演算法設計到金融交易應用，數學在資料科學中無所不在－專訪東吳數學系教授吳牧恩

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。

• 甘偵蓉｜清華大學人文社會 AI 應用與發展研究中心博士後研究學者。

當談到人工智慧（artificial intelligence, AI）、也就是 AI 時，讀者會想到什麼？是多年前由史匹柏（Steven Spielberg）導演的那部《A.I. 人工智慧》（A.I. Artificial Intelligence）中那個一直盼不到人類母愛而令人心碎的機器人小男孩？還是由史密斯（Will Smith）主演的《機械公敵》（I, Robot）裡那些沒遵守機器人三大法則的機器人或中央系統？

或許未來有一天，人類真的可以設計出如電影中那些像人一樣的 AI 系統或機器人。但目前為止，你常聽到的 AI 其實既很厲害又很不厲害，為什麼呢？厲害的是它下圍棋可贏過世界冠軍，還能夠比放射科技師更快、更準確地辨識 X 光片中疑似病變的細胞；但它不厲害的是，很會下圍棋的 AI 就只能下圍棋，別說不會打牌，連撲克牌是什麼都不知道！而且每次學新事物幾乎都是打掉重練，得不斷做好多考古題才有可能學得會，不像人類通常教幾次就會舉一反三。

不過，即使目前世界上的 AI 都是這種只具備特定功能的「弱 AI」（artificial narrow intelligence, ANI），但已經為這個世界帶來相當大的進步與便利。所以，以下要談的就是 ANI 的倫理與風險。

談到這種只具特定功能的 ANI，讀者知道目前生活周遭有哪些事物有利用 AI 技術嗎？其實 Google 上的搜尋資訊、Facebook 或 Instagram 的訊息推薦、對智慧型手機喊「Siri 現在外面有下雨嗎？」等功能，或是以掃瞄臉部解鎖手機與進入大樓、YouTube 或 Netflix 推薦觀賞影片，甚至是投履歷求職、銀行審核貸款申請等都常用到 AI 技術，它早在我們日常生活中隨處可見。

但也正是如此，讓人們這幾年在使用 AI 時，逐漸發現它可能造成的問題或傷害，以下簡單介紹常見的四種AI應用可能造成的倫理問題或風險。

演算法偏誤

第一種是演算法偏誤（algorithmic bias）。什麼是演算法偏誤？簡單來說就是 AI 在某些群體的判斷準確率或預測結果上總是很差，導致結果可能對於此群體造成系統性的不利。但為何會造成演算法偏誤？常見原因有三項。

第一項原因是，建立 AI 模型的研究資料集有偏誤，在性別、種族、社經地位等特徵上，沒有真實世界的人口分布代表性。例如數位裝置採用 AI 臉部辨識技術解鎖，原本是希望保護個人使用數位裝置的安全性，結果皮膚深的人卻常常遇到辨識失敗而無法解鎖。這通常是因為目前許多 AI 模型都是以機器學習技術設計，而機器學習的主要特性就是從過去人類留下的大量資料中學習；當初提供電腦學習臉部辨識的圖片時，如果多數都是白皮膚而非黑皮膚、多數都是男性的臉而非女性的臉，那麼電腦在學習辨識人臉的準確率上，整體而言辨識男性白人就會比辨識女性黑人要高出許多。

第二項產生演算法偏誤的原因是建立 AI 模型的研究資料集不只有偏誤，還反映現實社會中的性別、種族、社經地位等歧視；例如美國警政單位以過往犯罪資料訓練出獄後犯人再犯風險評估的 AI 模型，那些資料不意外地有色人種的犯罪紀錄遠多於白人犯罪紀錄。然而，那些紀錄也反映美國社會長久以來對於有色人種的歧視，其中包含警察對於有色人種的盤查比例遠高於白人、法院對於有色人種的定罪比例及判刑嚴重程度也遠高於白人、警力通常被派往多黑人與拉丁裔人種居住的窮困社區盤查等。所以根據過往犯罪資料所訓練出來的 AI 模型，不意外地也就會預測有色人種的再犯機率普遍來說比白人高。

第三項產生演算法偏誤的原因則是 AI 學會了連系統開發者都沒有察覺到，潛藏在資料裡的偏誤。例如科技公司人資部門本來想借助 AI 更有效率地篩選出適合來面試的履歷，所以挑選在該公司任職一定年資且曾升遷二次的員工履歷來訓練 AI 模型。問題是，高科技公司向來男多女少，所提供給 AI 學習的資料自然就男女比例相當不均。AI 也就學會了凡是出現偏向女性名字、嗜好、畢業學校系所等文字的履歷，平均所給的評分都比出現偏向男性等相關文字的履歷還低。

但目前科技公司陽盛陰衰，是受到以往鼓勵男性就讀理工、女性就讀人文科系，或男性在外工作女性在家帶小孩等性別刻板偏見所影響。所以 20～30 年來許多人做出各種努力以消除這種性別刻板偏見所帶來的不良影響，政府也努力制定各種政策來消除這種不當的性別偏見，像是求才廣告基本上不能限定性別、公司聘雇員工應該達到一定的性別比例等。因此，訓練 AI 的研究資料一旦隱藏類似前述性別比例不均的現象，訓練出來的 AI 預測結果就彷彿帶有性別歧視，讓人們過往致力消除性別不平等的各種努力都白費了！

其他 AI 應用帶來的倫理與風險

除了演算法偏誤的問題外，第二種可能帶來的倫理問題或風險是 AI 技術已經偏離原先使用目的，例如深偽技術（deepfake）原本用來解決圖片資料量不夠的問題，後來卻被利用在偽造名人性愛影片等。

第三種則是有些 AI 技術或產品本身就可能有善惡兩種用途（dual-use）。例如 AI 人臉辨識技術可用在保護數位裝置的使用者或大樓保全，但也可用來窺探或監控特定個人；無人機可以在農業上幫助農夫播種，但也可作為自動殺人武器；可用來搜尋如何產生毒性最少的藥物合成演算法，也能反過來成為搜尋如何產生毒性最強的藥物合成演算法。

最後，第四種是演算法設計不良或現有技術限制所導致的問題。在演算法設計不良方面，例如下棋機器人手臂可能因為沒有設計施力回饋或移動受阻暫停等防呆裝置，而造成誤抓人類棋手的手指且弄斷的意外。在現有技術限制方面，道路駕駛的交通標誌在現實中可能時常有老舊或髒汙的情況，儘管對於人類駕駛來說可能不影響判讀，但對於自駕車來說很可能就因此會嚴重誤判，例如無法正確辨識禁止通行標誌而繼續行駛，或是將速限 35 公里誤判成 85 公里等。但前述情況也有可能是自駕車網路、控制權限或物件辨識模型受到惡意攻擊所致。

以上介紹了 AI 常見的四種倫理問題或風險：演算法偏誤、相關技術或產品偏離原先使用目的、擁有善惡兩種用途，以及演算法設計不良或現有技術限制。但人們該如何減少這些倫理問題與風險呢？

培養AI使用倫理與風險的敏銳度

近五、六年來國際組織如聯合國教育科學及文化組織（United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, UNESCO）、歐盟（European Union, EU）、電機電子工程師學會（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）或是國家、國際非營利組織皆紛紛制訂有關 AI 發展的白皮書或倫理指引（ethical guidelines），甚至逐漸朝向法律治理的方向，如歐盟的人工智慧規則草案等。儘管這些文件所提出的倫理價值、原則或行為規範，看似各有不同，但經過這些年的討論與摸索，也逐漸匯聚出一些共識。

臺灣相較於前述國際文件來說，在制訂的時間上比較晚。2019 年由當時的科技部（現改為國科會）制訂「人工智慧科研發展指引」，裡面提出的三項倫理價值以及八項行為指引，基本上涵蓋了前述各種國際 AI 發展指引文件最常提及的內容。所謂三項倫理價值包含以人為本、永續發展、多元包容，行為指引則有共榮共利、安全性、問責與溝通、自主權與控制權、透明性與可追溯性、可解釋性、個人隱私與數據治理、公平性與非歧視性共八項。

未來當讀者看到又出現哪些 AI 新技術或產品時，不妨試著評估看看是否有符合這三項價值及八項行為指引。若沒有，究竟是哪項不符合？不符合的原因是上述所介紹常見的四種倫理問題或風險的哪一種？若都不是，還有哪些倫理問題或風險過去被忽略了但值得重視？

AI 技術發展日新月進，在日常生活中的應用也愈來愈廣。但考量法律條文有強制性，在制訂時必須相當謹慎，免得動輒得咎，也很可能在不清楚狀況下反而制訂了不當阻礙創新發展的條文；再加上法律制定也必須有一定的穩定性，不能朝令夕改，否則會讓遵守法規者無所適從。因此可以想見，法令規範趕不上新興科技所帶來的問題與風險本來就是常態，而非遇到 AI 科技才有這種情況。

人們若能培養自身對於 AI 倫理問題或風險的敏銳度，便可發揮公民監督或協助政府監督的力量，評估 AI 開發或使用者有無善盡避免傷害特定個人或群體之嫌，逐漸改善 AI 開發者與大眾媒體常過度誇大 AI 功能，但對於可能帶來的倫理問題或風險卻常閃爍其詞或避而不談的不好現象。

本文感謝工業技術研究院產業科技國際策略發展所支持。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 2 月號〉
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