前額葉切除術，最有爭議的諾貝爾生醫獎│科學史上的今天：10/12

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

編按：曾經有段時間，「前額葉切除術」為精神醫學帶來了無限希望，許多醫生用這種方式將重症病患的前額葉切除，好讓他們變得乖順、情緒穩定，因此也被視為「幸福的切割」，但可怕的代價緊接在後──許多接受手術的人智力退化到連生活都無法自理，這種不可彌補的終生遺憾給手術發明者引來了排山倒海的批評。但時至今日，類似的手術仍被廣泛應用於治療重度癲癇病患，咦？事情是怎麼發展的呢？

大腦可以維修嗎？

美國電視影集《絕命毒師》（Breaking Bad ）的主人翁是華特．懷特（Walter White），他是個身無分文且罹患肺癌的中年高中化學老師，他與以前的學生傑西．品克曼（Jesse Pinkman）一起投入了生產結晶甲基安非他命的罪犯生涯，希望生前販毒的大筆錢財能夠做為死後安家之用。該電視影集製作人文斯．吉利根（Vince Gilligan）曾經簡單地說過，這個五季的電視影集就是把奇普斯先生（Mr. Chips， 譯註：英國小說家詹姆士．希爾頓〔Jame s Hi l ton〕的作品及其改編電影《萬世師表》〔Goodbye, Mr. Chips 〕的主角）變成疤面煞星（Scarface，譯註：美國同名犯罪電影毒梟主角的暱稱）。

腦葉切斷術（lobotomy）曾經是醫學手術中的疤面煞星；過程會切開人的大腦，切除或刮掉腦葉以便達到治療精神失調的病徵的目的，有些時候會損害人的個性和智能。

至於寫這篇文章的個人目的，我想要向你們描述把這個疤面煞星變成奇普斯先生的手術。我希望可以說服你們，這個曾經惡名昭彰的醫學手術現在已經值得信賴，而足以為許多遭受顳葉癲癇之苦的人帶來希望；此外，我也想恢復「lobotomised」（接受腦葉切斷術）這個英文字本有的姿態，使其不再是用來形容一個人不夠聰明，或是受到神經外科介入治療而變成植物人的貶抑之詞。

不過，如同華特．懷特大概會說：「傑西，我們可不要操之過急。」我們需要從疤面煞星開始談起。

簡單而粗暴，為了治療精神疾病而誕生的腦葉切斷術

第一起的腦葉切斷術發生於一九三五年，同時也稱為腦葉切除術（lobectomy，譯註：兩者的差異主要在於，一個是前額葉的部分， 另一個是整個腦葉），是由葡萄牙神經科學家安東尼奧．埃加斯．莫尼茲（António Egas Moniz）主持進行。對於一個拿著冰鑿從眼睛後方敲入並像切雞屁股般地切掉人的些許大腦的手術，許多人可能會心生納悶，這種東西怎麼可能一度蔚為風潮；不過，這個手術的使用在一九四○年代初期開始急劇增加，到了一九五一年的時候，單就美國而言，腦葉切斷術就執行了接近兩萬宗。埃加斯．莫尼茲甚至在一九四九年得到了諾貝爾醫學獎，原因正是他發現了「腦葉切斷術對於某些精神病的治療價值」。然而，這個手術始終備受爭議，而且有一些受害者。隨著一九五○年代中期開始採用抗精神病的藥物治療方式之後，腦葉切斷術隨即近乎完全棄置不用。在這篇文章的第一部分，我所關注的正是這些粗陋的早期腦葉切斷術。

我相信你們都熟知約翰．甘迺迪（J. F. Kennedy），以及李．哈維．奧斯華（Lee Harvey Oswald，譯註：一般認為此人是甘迺迪暗殺案的頭號嫌犯）對他的頭部造成的傷害。然而，你們可能不知道， 甘迺迪的妹妹蘿絲瑪莉（Rosemary）是早期接受腦葉切斷術的病人之一，時間是一九四一年，當時的她只有二十三歲。她或許不是學校裡最聰明的學生，可是她的日記顯示了她是一個思考周密且觀察敏銳的年輕女子，在由當代最有野心和最無情的大家長約瑟夫．甘迺迪（Joseph Kennedy）所掌控的大家族中，她正在力爭上游。由於蘿絲瑪莉有主見且叛逆，醫師們就說服了他的父親可以採用一種尚在實驗階段的新手術，藉此控制固執女兒波動無常的情緒和變化莫測的行為。然而，他並沒有諮詢太太的意見，看來她似乎不太可能同意這件事。 我們至少可以說，整個手術的經過實在駭人。

醫院只讓蘿絲瑪莉服用了一劑溫和的鎮靜劑。詹姆士．瓦茲醫師（Dr James Watts）從頭殼往大腦上劃下了外科手術切口，他們用來切除一小塊大腦的器具看起來像是一把奶油刀。在瓦茲醫師進行切除時，華特．費里曼醫師（Walter Freeman）則問蘿絲瑪莉一些問題，他要她背誦《主禱文》（Lord’s Prayer ），而另外兩位醫師則幫忙粗略估算要切除多少大腦；令人匪夷所思的是，他們依據的並不是腦部的電氣活動，而是蘿絲瑪莉對問題的回應。情況就有點類似艾薩克．牛頓（Isaac Newton）用一支光禿的粗針就要觀察自己眼球底部一樣：我們只能說這是莽撞的行為。當蘿絲瑪莉開始背得顛三倒四之後，醫師就停止了手術。動完腦葉切斷術之後，大家很快就發現這次的手術無疑是個大災難。蘿絲瑪莉的心智能力退化成如同兩歲大的小孩，她馬上被送入精神病院，終其一生都無法言語或走路，而且伴隨著失禁症狀。約瑟夫．甘迺迪後來不曾再見過這個女兒一面。至於蘿絲瑪莉的兄弟姊妹，則要等到二十年之後才知道了這個姊妹為何從家族消失的真相。

我跟許多人一樣，對腦葉切斷術的認識是來自文學和電影。田納西．威廉斯（Tennessee Williams）的姊姊也叫蘿絲，也接受了腦葉切斷手術而終身失能。這位偉大的劇作家在其劇作《夏日癡魂》 （Suddenly Last Summer ）批評了這種手術，在劇中，這樣的手術則是讓同性戀者得以「道德健全」的手段。不過，真正讓這個手術的惡名以最大力道傳播出去的，應該是肯．克西（Ken Kesey）一九六二年的小說《飛越杜鵑窩》（One Flew Over the Cuckoo’s Nest ），該小說更於一九七五年被改編成由傑克．尼克遜（Jack Nicholson）主演的同名電影。這個故事的英雄是勇猛、叛逆和充滿魅力的藍道．P．麥墨菲（Randle P. McMurphy），由於他攻擊了奧瑞岡（Oregon）州立精神病院專橫的護士長，後來被迫接受腦葉切斷術。整個故事的敘述者「酋長」波登（Chief Bromden）描述了手術的悲慘結果：「一直張著眼睛，裡頭的腫脹已經消退得差不多了；眼睛就這麼瞪著刺眼的月光，闔不上也進不了夢鄉，由於張開了這麼久且無法眨眼而眼神呆滯，看來就像是保險絲盒裡燒掉的保險絲一樣。」另一個病人是這樣形容麥墨菲：「那張臉面無表情，就像是商店裡的假人……」我依然清楚地記得，電影裡的酋長溫柔地抱起麥墨菲仰臥的身體的那個時刻，他看著朋友的空洞臉龐才驚恐地意識到：雖然燈是亮著，但是沒有人在家。這可以說是現代電影史中最令人震驚的時刻之一。幾乎同樣讓人不安的電影畫面則是出現在一九六八年的經典科幻電影《浩劫餘生》（Planet of the Apes ）；查爾頓．赫斯頓（Charlton Heston）所飾演的太空人泰勒（Taylor）發現未來的猩球科學家已經為同行的團隊成員施行了腦葉切斷手術。

關於腦葉切斷術的背景說明如下：費里曼醫師和莫尼茲醫師是這個手術的先驅，他們之所以會進行這個費里曼自己描述為「手術誘發的童年」的手術，就是試圖利用這個手術來治癒思覺失調症、慢性頭痛、偏頭痛、產後憂鬱、躁鬱症以及輕度行為障礙等疾病。費里曼醫師曾經在一天之內就進行了令人瞠目結舌的二十五起腦葉切斷手術， 因此許多接受手術的人都下場不佳也就不足為奇了。有個名叫霍華德．杜利（Howard Dully）的小男孩是因為不討母親歡心而被迫接受手術；二次大戰之後，好幾千位返家後出現創傷後壓力症候群的美國士兵都接受了腦葉切斷手術。執行手術的醫師都認為，除了手術使人身亡之外，病人的永久性腦部損傷和退化成只能自行呼吸的植物人的狀態，都不過是有效治療手段的附帶傷害。

現代科技讓腦部手術不再是沒有地圖的冒險

讀到這裡，我可以理解你們可能覺得我給了自己一個全然無望的任務，畢竟想讓黑面煞星變成奇普斯先生幾乎是自不量力，更別說是宣稱腦葉切斷術已經是值得信賴的手術了。不過，現在的情況確實如此。

事情的變化是這樣的。回到一九四○年代和一九五○年代，外科醫師拿著冰鑿和奶油刀在腦袋瞎弄，他們對於自己在做的事要不是一知半解，不然就是根本一無所知，情況有點像是從西班牙啟航的探險家克里斯多福．哥倫布（Christopher Columbus），既沒有地圖，也不清楚自己真的要前往哪裡，或是到了那裡會發現什麼。基本上，改變的就是地圖製作的這個部分。多虧了X光、發射電腦斷層掃描攝影術、核磁共振造影、正子斷層造影掃描、單光子射出電腦斷層造影掃描、腦電波圖和腦深層電刺激的發明，外科醫師現在對於大腦先前神祕的拓樸圖有了更清楚的概念，也就更能夠了解大腦發生了什麼事、發生的部位和發生的原因。我們現在已經可以確切地說出掌管視覺、嗅覺、語言，或行動的各是大腦腦葉的哪個部分，舉例來說，無論好壞，掌管我發表演說的大腦部分是布洛卡區，是位於額葉的一個區域；告訴我時間不夠要快點說完的大腦部分則是位於大腦後部的頂內葉區。

對於大腦這個最美好的人體器官的偉大奧祕，我們現在終於擁有能夠了解的手段，而這是佛朗茲．約瑟夫．加爾（Franz Joseph Gall） 和凱薩．倫柏羅索（Cesare Lombroso）等早期的大腦和頭部製圖師做夢也想不到的方式。現在的我若是能夠找出，到底是大腦的哪個部分竟然瘋狂到讓我覺得自己能夠完成以神經外科為主題的書寫任務，如此一來，我們或許就知道了一切。我們現在已經配備了人體頭部的世界地圖（mappa mundi），我們不妨將之稱為一份電子版的大腦地圖（mappa cerebrum），這彷彿是外科醫師擁有了進入人體頭顱探索旅程的最新衛星導航系統；不管是簡單的顱骨切開術，或者是在顱骨鑽洞來緩和硬腦膜下血腫，我們現在對於所有的神經外科手術的療程和結果更有信心。

基於一些（大概與先前詳述的既有名聲相關的）敏感原因，現在的神經外科醫師都會說腦葉切斷術是一種「前顳葉切除術」（anterior temporal lobectomy，簡稱ATL）。這項手術需要完全移除大腦顳葉的前面部分，是目前針對醫學上難以治療的內側顳葉癲癇（medi a l temporal lobe epilepsy，簡稱TLE）病人的標準治療方案，也就是說這樣的病人無法以抗癲癇藥物來控制癲癇性痙攣。雖然這個手術依然有風險而且極為昂貴，但是據報有介於百分之八十到百分之九十的病人在術後都不會再出現癲癇。

我們已經不再動用奶油刀或冰鑿來切開大腦。我可以告訴你第一手的資料，這是因為身為你的勇敢報導者的我在幾星期前去觀摩了一次前顳葉切除術的進行，地點是位於倫敦皇后廣場（Queen Square） 的國立神經病學和神經外科醫院（National Hospital for Neurology and Neurosurgery）。一天之內進行二十五次腦葉切割手術的年代已經一去不復返，我看的那一場前顳葉切除手術幾乎進行了八小時，而且參與手術的醫護人員共計九位，其中包括了三位神經外科醫師。手術開始之前，病人頭部X光片上的一個微小到幾乎看不見的損傷或疤痕吸引了我的目光，而那或許是連瑞士鐘錶匠都不會注意到的，但是卻逃不過我們的神經外科醫師麥克沃伊醫師（Dr McEvoy）的法眼。麥克沃伊醫師向我解釋，那個疤痕必然跟病人的癲癇有關，大概是病人小時候發高燒所感染的結果。在倒不如說是一點都不狂熱的氛圍之中，前顳葉切除手術正式開始。

目前，在進行顱骨切開術之前，光是使用電動手術刀（或是俗稱的「保威」[Bovie]手術電燒刀）來移除肌瓣和清理頭顱表面，可能就要花上將近兩個小時的時間。接下來是以高速電鑽來進行顱骨切開術，而過程中發出的聲音和味道都讓我想起了自己讓牙醫補牙的經驗。醫師切下了一個火柴盒大小的顱骨，並且將之安全地保存，以便之後能夠嫁接回去。

就在顱骨下方，有一層叫做硬腦膜的薄膜包裹著整個大腦，看起來就像是雜碎羊肚（haggis，譯註：此為將肉雜、洋蔥和調料等放入羊胃中烹煮的一種蘇格蘭料理）上的外皮。切開薄膜後，顯露出來的就是閃閃發光的灰色大腦，上頭布滿了蛛網狀的血管，簡直像極了電影《異形》中有趣的異形蛋。使用了巨型神經外科顯微鏡，就連像人類頭顱這樣深沉而無法進入的腔體都能夠一目了然，才能夠在今日執行切除大腦的精巧工作。

在為病人動手術的時候，外科醫師告訴我，動完腦葉切割術的大腦很快就會重新自我配線；現在的病人在一輩子深受癲癇性痙攣之苦後，對於大腦在術後要建立新的突觸所帶來的短期不便，都認為那是值得付出的代價。就我外行人的意見來看，相較於早期的粗略估算和冰鑿，更別說是背誦《主禱文》的方式，現今的整個高度科技和極度精細的科學手術可以說是極大的進步。相信你們也很樂意知道，現在那位病人的術後復原良好，而讓他需要動神經外科手術的前顳葉癲癇也完全消失了。

如果換成是華特．懷特的年輕犯罪拍檔傑西．品克曼在場目睹這場令人讚嘆的手術的話，我想他一定會跟神經外科醫師擊掌致意並且說道：「唷，科學，很神喲。」

——本文摘自《皮囊之下》，2019 年 4 月，健行出版社。