黑盒子一點也不黑的祕密

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。

本文由 我的青航時代－2023航發會×暑期航空營 委託，泛科學企劃執行。

「緊急緊急，這裡是全美航空 1549 航班，遭到鳥擊，雙引擎失去推力，正要返回拉瓜地亞機場（LaGuardia Airport）……」這是美國空難電影〈薩利機長：哈德遜奇蹟〉中，機師緊急向塔台呼救的台詞。

〈薩利機長：哈德遜奇蹟〉改編自 2009 年 真實發生的「全美航空 1549 號班機事故」。事件當下 1549 號班機遭受鳥擊，在來不及抵達最近機場的情況下，最後緊急迫降在哈德遜河面，幸好全機無人傷亡。直至今日，你都能在網路上找到當時飛機迫降前與塔臺最後的對話。

等等……這些對話是怎麼被保留下來的呢？

這個秘密就藏在飛機尾段的「黑盒子」裡。

為什麼要有黑盒子？黑盒子的研發歷史

你常聽到在空難事件後，眾人的焦點都在搜尋「黑盒子」。「空難」成為一般人對「黑盒子」的第一印象，它的出現可以說是 20 世紀改善飛行安全的重要發明。

最初為了要記錄飛機的飛行變化，例如1939 年的法國馬里尼亞納試飛中心，以及1942 年的芬蘭航空的工程師 Veijo Hietala ，他們都曾運用照相機原理，以滾動式照相機的感光底片，記錄飛機的高度與速度的變化。

但他們都無法解決如何在當飛機失事後，保存資料的問題。這個大問題，挑戰著全歐洲工程師們的腦神經。

直到 1953 年，由澳洲科學家大衛·沃倫（David Warren, 1925－2010），做出劃時代的突破！

原本在航空研究實驗室（ARL）擔任火箭研究員的他，受到上級指派，負責了解為何英國哈維蘭航空公司所推出哈維蘭彗星型噴氣式客機（British de Havilland Comet jet）會接連失事。這場調查對大衛也別具意義，因為他的父親也是在 19 年前的空難中離世。

但如何破解，卻是一個大問題。正當大衛傷透腦筋時，沒想到小組同事隨口說最新墜機事件的原因可能是因為劫機，他靈機一動想到「要是能將飛機上的對話錄下來就好了」。因此他藉著父親留給他的收音機組裝件，利用類似於錄影帶的運作原理，發明了黑盒子的雛形「ARL Flight Memory Unit」，可以記錄約 4 小時的聲音，以及 8 項飛航資料。

然而，這項發明在澳洲一開始並沒有受到重視，甚至引來飛行員的抗議，認為這有監聽機上人員的疑慮，但也有人從中看出了這項發明的重要性。1958 年，英國航空管理局的秘書長直接到實驗室找大衛，並邀請他帶著發明一起來英國發展，之後也正式應用在英國的民航機上。

為了能在飛機失事後迅速被找到，生產公司其實將裝置盒子塗成亮橘色。但在一場 BBC 與大衛的訪談時，記者誤用電子裝備的統稱「黑盒子」介紹這具裝置。

「黑盒子」也就成為最廣為人知的暱稱。

黑盒子在記錄什麼？

黑盒子的真式名稱為「飛行紀錄器」，全名就寫在它亮橘色的外殼上，「FLIGHT RECORDER DO NOT OPEN」（飛行紀錄器，不要打開）。只有當飛機失事時，調查人員會將它打開。

它的內部主要分為兩個部分：飛行資料紀錄器（FDR）以及座艙通話紀錄器（CVR）。飛行數據紀錄器記錄飛行數據，例如飛行高度、速度和位置等。座艙通話紀錄器則會記錄駕駛員和機組人員的對話，以及飛機內部的所有聲音。各國規定，飛行期間不能關閉飛航資料紀錄器。唯有在航空器失事、重大意外發生後，必須立即關閉飛航紀錄器。而在取出紀錄前，不得再開啟黑盒子，以免對話遭到洗掉。

當飛機發生事故後，調查與維修人員等相關人員能透過黑盒子的數據，幫助找出事故原因，針對問題持續加強飛機設計或人員訓練等，降低飛機飛行的各項風險。黑盒子本身也歷經四代的改良後，更利於它在各種極端的情況下還能夠運作。現在它不僅更耐高溫與抗壓，還可以承受 3400 公斤的重力加速度，相當於一臺小型貨車的重量。除此之外，它更發展出水下定位的發報器與影像紀錄器，可以記錄艙內的影像。

確保它的運作：黑盒子的檢測與維護

黑盒子既然與飛行安全緊密相關，那麼又是多久需檢測與維護呢？

根據我國「航空器飛航作業管理規則」中，提到黑盒子每五年需至少重新校準一次。另外，當高度及空速之參數是飛航資料紀錄系統所專屬的感應器所提供時，應依據其製造廠家的建議重新校準，或每二年執行一次校準。

座艙通話紀錄器則與飛航資料紀錄器其他裝置，如有裝設內建測試功能時，應列為每天第一次飛行前的檢查項目。

黑盒子的法規與國際標準

1947 年，聯合國「國際民航組織」（ICAO）成立，為了管理與發展世界民用航空業務，每三年集會一次並召開理事會，制定相關規定。除此之外，它也會針對全球層級之航空事故，以中立身分進行跨國調查。

在國際法規上，由 52 個國家立定的《國際民用航空公約》針對任何有關空領域、航空器安全等制定，是具有法律效益的國際公約。其中也包含 18 條附約，規範航空器相關的規定、規格、操作，以及搜索服務等。其中，與黑盒子有關的法規則集中在第 6 號附約「航空器之操作」，以及第 13 號附約「航空器失事及意外調查」。臺灣所制定黑盒子的法規，以及標準都是從此而來。

臺灣在 1987 年跟進附約要求，規定當民航機「最大起飛重量（航空器起飛時所容許的最大重量）」超過 5,700 公斤時，就要安裝黑盒子。

在臺灣的「航空器飛航作業管理規則」中，規定每年都須進行年度檢查，確保紀錄器在記錄期間內能正常運作。

針對黑盒子的兩部分——飛航資料紀錄器及座艙通話紀錄器，則有各自不同的檢查方式。

飛航資料紀錄的年度檢查中，只要出現有一重要區間的資料品質不佳，信號不可理解，或其中一項或多項主要之參數未被正確記錄。這些都會將飛航紀錄系統視為不可用。另外在民航局要求下，年度檢查報告應隨時能夠提供飛航資料紀錄作為監視之用。

座艙通話紀錄器的年度檢查，會以重新播放所記錄信號之方式實施。當裝置於飛機上時，座艙通話紀錄器應記錄來自每一個信號源及相關外部信號源之測試信號，以確認所有必要之信號達到可辨識的標準。

結語

2014 年 3 月 8 日凌晨，一架從馬來西亞的吉隆坡前往北京的馬航 MH370 航班，起飛後失去聯繫後，至今仍下落不明。

這起事故引發大眾對黑盒子的討論，也因此有廠商針對飛機下落不明的情況，提出增加即時資料傳輸的設計。但這項提議仍存在著侵犯機組人員隱私，以及不信任飛行的爭議。

在黑盒子問世之後，人們藉由黑盒子的紀錄，得以逐漸增強飛航的安全性，使失事率急速下降。時至今日，加強黑盒子可用性的同時，也必須維持機組人員的隱私，如何取得兩者間的平衡或許是黑盒子的下一個發展重點。

參考資料

1. 行政院安全飛行委員會，飛航紀錄器法規與調查實務與調查實務
2. 科技大觀園，「黑盒子」其實不是黑色——揭開飛行紀錄器的秘密
3. BBC NEWS，「黑匣子」：誰發明了飛行記錄儀？
4. BBC NEWS，馬航 MH370：為什麼黑盒子不一定給出答案？
5. 官文霖（Wen-Lin Guan）、 陳沛仲（Pei-Chung Chen），國籍民用及公務航空器之飛航紀錄器普查與建議，《航空安全及管理季刊》，4 卷 2 期，頁133-144。
6. 歐文翻譯，瞭解國際民航組織，《飛行安全春季刊》，2013，頁 60－66。