實驗動物與牠們的產地，恆溫恆濕還有乾淨空氣

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。

輾轉反側，徹夜難眠的時候，您幾點起床？就算醒了，工作效率是否異常低落？
在此，請您非但別只想到自己，還要拿出一點同理心：因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲，也深受困擾。

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊，有一篇標題冗長的論文，叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉^[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson，認為歌唱的時辰與類型，對於喜鵲的社交生活相當重要，並以此做為研究主題^[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前，有些人就已經沒什麼社交生活，更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV，人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

於是，牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先，研究團隊架設陷阱，用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後，再關進裝有監視器的房間裡。接著，為了測量腦電波圖（electroencephalogram, EEG）與肌肉電位圖（electromyogram, EMG），科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉，植入電極貼片（electrodes），方便之後記錄睡眠狀態^[1]。

然後，喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器，左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡，盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前，不加以掩飾；第二次猶抱琵琶半遮面；第三次開始蓋子完全擋住凹槽，令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期，全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」（associative learning），蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子，發現下面藏有食物。這樣重複 15 次，讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難^[1]。

結訓後，研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」（chilled, unmoving mealworms），為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動，科學家也期望牠們展現「反轉學習」（reversal learning）的能力。將蓋子的顏色調換，要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點^[1]，例如：

1. 喜鵲做出第一次選擇時，是否有延遲的行為。緩慢的反應，代表注意力不集中，或動機下降。
2. 喜鵲得經過幾回，才能達到連續 12 次嘗試中，有 10 次正確的及格分數。
3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們，便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段，喜鵲們被劃為三組，分別體驗下列三種睡眠模式之一：無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪，以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招，包括：迫近或拍打鳥舍、發出噪音，或是輕撫充滿睡意的喜鵲^[1]。如同可憐的臺灣中學生，明明前晚都沒睡飽，隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲，怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料，沒睡飽的喜鵲容易犯錯，而且要花較長的時間，才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機，傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示，失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度（alertness）、注意力、警戒等級（vigilance）等，都會受到負面影響^[1]。

除了喜鵲考試的成績，科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺，也不要唱歌。最後就算唱了，單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出，頻寬變得狹窄，內容相較貧乏，顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通，大同小異。當一個人睡眠不足，說話的速度會緩慢下來，咬字不如平常清晰，語句重覆的機率提高，甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息^[1]。

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域，分辨敵友，並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落，也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果，與喜鵲有那麼多的相似處，下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前，我們是不是應該先睡飽，再來思考怎麼社交呢？

備註：此實驗結束後，參與受試的澳洲喜鵲，均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料：

1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)

你聽過科學研究的「再現性」（reproducibility）嗎？如果一個科學研究結果具有再現性，代表它可以被另一個研究團隊，以同樣的控制條件、操作步驟進行重複測量，並獲得與前人相近的結果。這也代表著這項實驗是可以被驗證的，該研究的可信度也越高。

近年來，許多領域都開始重視科學研究的再現性問題，例如 2015 年由科學開放平台（Open Science Framework, OSF）發表在《科學》（Science）的一篇心理學實驗再現性的研究，就重複了三個重要的心理學期刊，包括 Psychological Science、Journal of Personality and Social Psychology、Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, and Cognition 在 2008 年間發表的 100 個研究，結果顯示僅有 36％的研究具有統計顯著性^[1]。

而在 2016 年刊載於《自然》（Nature）的一篇報導中，團隊以線上問卷調查了 1576 位研究者，發現有超過 70％ 的研究者，無法重現其他科學家曾經做過的研究結果；更有超過 50％ 研究者無法重現「自己的」研究結果^[2]。

再現研究論文時，會遇到哪些困難？

同樣的科學研究再現性驗證也出現在生醫領域。一項由 RPCB（Reproducibility Project: Cancer Biology）團隊耗資 200 萬美元、歷時 8 年，嘗試複製各大具影響力的臨床前癌症研究，其結果於去年（2021）12 月發表於 eLife^[3]。

在看這項研究結果之前，或許我們可以先了解 RPCB 究竟是何方神聖？RPCB 是一個由非營利組織「開放科學中心」（Center for Open Science）與學術平台「科學交流」（Science Exchange），在 2013 年開始合作執行的一項計畫。團隊期望能系統性地重現出 53 篇於 2010～2012 年間，刊登在知名期刊《自然》、《科學》、《細胞》（Cell）中的臨床前癌症相關研究。

即使一開始團隊預計重複 53 篇論文中共 193 項實驗，但最終能成功執行的僅有來自 23 篇論文裡的 50 個實驗，且仍使該計畫延宕了五年才完成。為什麼理想這麼豐滿，現實卻如此骨感？研究團隊在論文中提到了幾項實驗再現的困難與挑戰，例如：

1. 許多原始論文缺少敘述統計（descriptive statistics）和推論統計（inferential statistics）的關鍵數據，像是效果量（effect size)、統計檢定力（power）等資訊，儘管團隊聯繫了原始論文的作者，仍有 68％ 的數據無法取得。
2. 在這 193 項實驗中，沒有一個具有足夠詳細的說明，令團隊能設計出重複的實驗步驟。這使得他們不得不轉向論文原始作者，以尋求更進一步的實驗建議，而在詢問的過程中，約 26％ 作者給了極大的幫助，而有約 32％ 作者對實驗完全沒幫助（或是無任何回應）。

癌症研究實驗的再現性僅 46％？

在缺乏合作、需要詳細檢查並調整實驗步驟的情況下，研究團隊平均需要花費 197 週的時間才能複製出一項實驗。此外，每複製一次實驗的成本高達 5 萬 3000 美元——大約是原先預估花費的兩倍，因此再現 193 項實驗的雄心壯志終究無法達成。

那麼這項耗時 8 年、斥資百萬的實驗再現性研究，給了我們什麼結果呢？

根據團隊在 eLife 發布的第二篇論文顯示，這些臨床前癌症相關研究的實驗再現性僅有 46％，且平均的統計效果量也比原始論文低了 85％^[4]。

在這些被再現的實驗中，原始研究效果量大的往往更容易被複製，而動物實驗則是再現性最差的，這可能是因為在生物體內（in vivo）實驗的效果量，大多低於體外（in vitro）實驗。

只做一次的再現實驗，公信力足夠嗎？

發表在知名期刊上的臨床前癌症研究論文，其實驗再現性居然不到一半，這對於生物醫學相關領域的研究者來說，無疑是一項沉重的打擊。

不過僅憑一次的再現實驗，就評斷一項研究的公信力，對這些研究者來說公平嗎？其中一位研究無法被 RPCB 再現的學者就表示：「他無法確定這些一次性實驗有多少價值。」而那些被選中重現的實驗，當中也不乏已經開始進行第二期藥物臨床試驗的研究。同時也有研究者指出，RPCB 在複製實驗時使用了與原研究不同的細胞株（cell line），也並未在實驗中進行三重複確認最終結果^[5]。

針對這些指控，RPCB 說明這項計畫的目的，並非藉此斷言某些特定研究是無用，或需要被停止的，而是為了點出現今研究的再現性危機（reproducibility crisis），以期望找出相對應的解方。目前也有一些提升研究再現性的方法被提出，像是以盲性研究（blinding）進行體外實驗或動物實驗、採用更大的樣本量、更嚴謹的統計分析方法，以及研究計畫的預先註冊制度（preregistration）^{[註 1]}。

雖然這項大型研究充滿著許多爭議，但也提醒了各領域的研究人員：對於自身研究的每個步驟、統計方法等，都應更加詳盡、仔細的記錄。除了能使後人有辦法針對已發表的內容，進行深入探討外，亦可以提升該實驗被再現的可能性，增加研究的公信力。

而看完文章的你，對於科學研究的再現性又有什麼看法呢？

註解

• 註 1：研究計畫的預註冊是指研究者在進行科學研究之前，先對他提出的假設、方法、分析方式上傳到註冊機構，經由該單位的期刊編輯、同儕審查通過後，再進行研究的一種做法。

參考資料

1. Open Science Collaboration, Estimating the reproducibility of psychological science, Science, Vol 349, Issue 6251, 2015. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aac4716
2. Monya Baker, 1,500 scientists lift the lid on reproducibility, Nature, volume 533, pages452–454, 2016. https://www.nature.com/articles/533452a
3. Timothy M Errington et al., Reproducibility in Cancer Biology: Challenges for assessing replicability in preclinical cancer biology, eLife, 2021. https://elifesciences.org/articles/67995
4. Timothy M Errington et al.,Investigating the replicability of preclinical cancer biology, eLife, 2021. https://elifesciences.org/articles/71601
5. Asher Mullard, Half of top cancer studies fail high-profile reproducibility effort, Nature, 09 December 2021. https://www.nature.com/articles/d41586-021-03691-0

1 月 17 號，是國家生技研究園區實驗動物中心的「大徙之日」。新落成的六層樓建築依山傍水，對於實驗動物來說可說是座「帝寶級」的高級住所。這麼大費周章才完工的「實驗動物與牠們的產地」，究竟有哪些重要的功能呢？

25 歲的實驗中心，讓研究更加順利

動物實驗中心究竟是在做什麼呢？

這故事還得從 1994 年開始說起。培養實驗動物，對於科學研究而言十分重要，畢竟我們可沒辦法輕易進行人體實驗，這時候，便需要藉助動物的力量。然而，若是無法自行培育又缺乏固定的實驗動物來源，那研究人員在進行實驗時，便需從國外進口，不僅曠日廢時、更所費不貲。

動物實驗中心的存在，便是為了解決這樣的問題。他們從 1994 年開始提供無特定病源 (SPF) 嚙齒類實驗動物，而後更成立了實驗鼠種原庫，並開始培養綠色螢光鼠、無菌鼠、基因轉殖大鼠等等不同的實驗動物。現在，除了鼠之外，中心也提供了兔、犬、豬、羊等等實驗動物。

國際結盟合作，走向世界的訂製鼠

咦？一個養動物的地方竟然這麼厲害？

沒錯！可別小看這些實驗動物，牠們背後都有著不同的任務和重要性。就拿前文提過的「無菌鼠」來說吧，牠們身上可是真真正正半點細菌也沒有，當然也沒有病毒和寄生蟲。這些無菌鼠們所喝的水、吃的飼料都必須經過嚴格的滅菌，居住的地方更是特殊設計的無菌隔離操作箱。

為什麼要培養這樣「乾淨」的無菌鼠呢？因為如此一來，我們才能夠藉由實驗，找出特定的操縱變因會帶來什麼樣的結果。無菌鼠對於基因改造、癌症、腸道微生物、消化道生理、免疫、藥物動物學及營養研究都有很重要的意義。

另一方面，我們也有自行做出「訂製鼠」的能力，可以利用大片段基因構築、CRISPR/Cas9、基因剔除等技術，為各個實驗團隊打造出他們所需要的實驗鼠。

研究員便分享到：我們的國家實驗鼠種原庫有被納入「國家小鼠品系資料庫 (International Mouse Strain Resource, IMSR)」，更曾為約翰霍普金斯大學提供全球第一隻剔除 Scn2a1 基因的小鼠，令其出現自閉症和行為運動異常。這樣的合作非常成功，後來大學方面更親自致電感謝台灣團隊的協助。

帝寶級高級住所，體現出對動物福祉的重視

這些實驗動物們為人類做出了重要的貢獻，當然也該被好好地對待。研究人員們便笑稱，這些動物就像是住在動物版的高級帝寶中。為什麼會這麼說呢？因為這些動物所居住的環境十分乾淨舒適且無菌，食物和墊料都經自動化處理，同時，環境也會維持低噪音、低粉塵、無光害、四季恆溫恆濕，並讓牠們 100% 的新鮮空氣。

為了要讓實驗動物住得舒服，建築方面需要花費許多心思，不僅規劃節能、智慧控制、隔震等等系統，更打造了「全高貓道維修層」。「貓道」是動物房的維修管路，因為動物房是密閉空間，所有的管線設施都必須在動物房之外，而維修人員要工作時，僅能在貓道中進行維修。而大部分的動物房貓道高度都僅容爬行，這裡卻讓人可以直立，就像是兩層樓高的房，特別空出二樓的空間讓人維修，實在是十分的寬敞霸氣啊！

這種種的設施，除了是要達到實驗的需求外，更是實驗動物倫理的具體展現，動物實驗人員的誓詞便有提到：「將遵循動物福祉的最高標準，尊重和愛護將生命託付給實驗人員的實驗動物。」

動物實驗在目前的科學研究上有著不可取代的重要性，但我們在實驗同時，也應當注重實驗動物福祉、將牠們的福祉擺在第一位。新居的落成，將讓實驗動物中心的各項設施更為完善，也讓人期待未來的研究發展。