0

5
0

文字

分享

0
5
0

誰害台灣蝙蝠迷航了?兇手就是農藥和重金屬!

活躍星系核_96
・2017/01/11 ・4401字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 596 ・九年級

國立臺灣師範大學生命科學系教授吳忠信採集臺灣各區蝙蝠,發現因環境污染毒物如農藥及重金屬,累積在蝙蝠體內,破壞中樞神經及回聲定位系統,導致迷航的蝙蝠無法正常在空中捕捉昆蟲或躲避障礙物,逐漸消失在田野中。

再過兩週就是過年,蝙蝠的「蝠」與「福」同音,中華傳統文化常見蝙蝠圖案,鄉下見到屋簷下聚集蝙蝠,更相信會帶來福氣。但近來看到蝙蝠的機會越來越少,台灣蝙蝠數量從 2005 年的 50 萬隻銳減到 2014 年的 20 萬隻,到底發生什麼事了?

過去科學家發現,不同種類的蝙蝠多會發出超高頻的叫聲,再利用回聲定位方式在空中捕捉昆蟲或是躲避障礙物。國立臺灣師範大學生命科學系教授吳忠信投入臺灣蝙蝠回聲定位研究長達 20 年,過去研究發現蝙蝠中樞腦神經系統可以辨識自己發射出去的超聲回波,讓牠們可以自由遨翔捕食獵物,卻不會在天空相撞!

吳宗信老師。圖/師大提供。
吳宗信老師。圖/師大提供。

近幾年吳忠信更發現臺灣環境汙染的毒物會累積在蝙蝠體內,結果造成蝙蝠中樞神經系統以及回聲定位系統的破壞,嚴重時甚至引發蝙蝠迷航,而無法在空中正常飛翔。一旦蝙蝠無法正常在空中捕捉昆蟲或是躲避障礙物,許多蝙蝠種類便會喪失生存的本能,逐漸消失在臺灣田野之中。

「夜明砂」透漏毒訊

吳忠信研究團隊利用蝙蝠田野研究與調查的機會,採集台灣北、中、南與東部等不同樣區蝙蝠的糞便(夜明砂),並利用「感應耦合電漿質譜分析儀」(ICP-MS)分析蝙蝠糞便重金屬含量。

俗稱「夜明砂」的蝙蝠糞便。圖/師大提供
俗稱「夜明砂」的蝙蝠糞便。圖/師大提供

結果發現:

北部蝙蝠糞便中含有超量的鉛、汞、鉻、鎘、銅、錳等重金屬,環境毒物主要來自工業與交通排廢氣的汙染。

中、南部蝙蝠糞便中則含有超量的砷、銅、錳等重金屬,也檢測出農藥益達胺的累積,環境毒物主要來自農業的汙染。

東部的蝙蝠糞便中則僅測出錳重金屬超量。

吳忠信利用各地收集到的蝙蝠糞便分析重金屬汙染的資料,此結果與環保署分析臺灣各地排放廢水所獲得的環境重金屬汙染資料大致吻合。由於野生蝙蝠會在我們生存的週邊環境中飛翔並且覓食,因此當週邊環境遭受環境重金屬或農藥汙染時,野生蝙蝠糞便中所含的環境重金屬或農藥含量應該就會超標,由這些結果可以推估某一地區環境重金屬與農藥的污染情況。

環境重金屬會透過飲食、呼吸或是直接接觸的路徑進入人體,但是重金屬不像其他的毒素可以在肝臟分解代謝,然後排出體外。相對的,它極易積存在大腦、腎臟等器官,漸進式的損壞身體正常功能。此外,重金屬進入人體後,大部分會與我們體內的蛋白質、核酸結合,結果可能造成基因突變,影響細胞遺傳,產生畸胎或是癌症。

環境重金屬鉛、錳過量累積在人類的腦部,常會讓人體出現類巴金森氏症的神經退化與行動困難等症狀。重金屬鎘在工業上經常被用於塑膠加工業或當安定劑使用;當含超量鎘的河水灌溉稻田,禾稻便吸收重金屬鎘,人類食用受污染的稻米後,鎘便積聚在人體內,鎘累積人體內過量會導致骨骼軟化及腎功能衰竭;有些鎘中毒患者甚至會因為關節和骨頭極度疼痛而叫喊,產生所謂的「痛痛病」。重金屬砷常用於合成農藥、除草劑和殺蟲劑,過去曾有案例指出引用含砷量高的井水可能會讓人末肢發黑、潰爛、產生所謂的「烏腳病」。

發展迷你飛行軌跡分析儀,追蹤蝙蝠飛行

由於在野外蝙蝠飛行觀測不易,為紀錄並且分析蝙蝠飛行的軌跡,吳忠信團隊的徐志翔博士研發組裝一個重量僅 5 公克的蝙蝠飛行軌跡分析儀。此分析儀由一個速度與加速度感測器結合 LED 小燈泡所組成,加速規是一種電機式的感測器,可以利用無線傳輸出受測試物體的轉動角度與加速度的電子信號到手機,再由廠商免費提供的 APP 應用程式作進一步的分析。

團隊將迷你型的飛行軌跡分析儀裝置在臺灣大型食蟲蝙蝠的臺灣葉鼻蝠的身上,然後放飛於一個長方形的室內空間,讓蝙蝠連續飛行數分鐘。蝙蝠飛行的轉動角度與加速度的訊號會藉由無線傳輸到手機上,這些數據有助於團隊計算出蝙蝠在空間內的飛行軌跡距離。此外,團隊也利用數位相機或是攝影機,在黑暗中利用連續曝光方式拍攝蝙蝠身上 LED 小燈泡所發出的光軌,藉此來記錄蝙蝠的飛行軌跡。

遭受環境毒物傷害蝙蝠在教室內紀錄飛行的光軌。圖/師大提供
遭受環境毒物傷害蝙蝠在教室內紀錄飛行的光軌。圖/師大提供

由於蝙蝠在完全陌生環境中飛行時,會利用發出超聲波來探索周遭的環境背景,並且會很快的熟悉並且記住周遭的環境背景,而循著固定的路徑飛行,這稱之為蝙蝠飛行的固定行為模式。團隊研究發現,當蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺的昆蟲食物後,原本有規律的蝙蝠飛行路徑則會變得相當紊亂。這結果說明,蝙蝠飛行的固定行為模式會因為蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺而被擾亂。

蝙蝠找不到路!原因是腦神經受傷了

團隊中的蕭淳任博士研究發現,當蝙蝠攝食含有農藥益達胺汙染的昆蟲時,蝙蝠海馬迴與內嗅皮質的神經細胞會有損傷的情形發生,此情形會導致蝙蝠大腦內部定位導航系統以及記憶學習功能的喪失,最終造成蝙蝠迷航的情形發生,此研究成果已於 2016 年刊登在國際學術期刊 Neuroreport 。

過去科學家發現,田野間使用的農藥益達胺會嚴重傷害蜜蜂,害牠們找不到回家的路,研究發現主因是農藥益達胺不但會影響蜜蜂的神經發育,也會損傷蜜蜂的記憶學習功能,結果干擾蜜蜂返巢的能力。由於農藥益達胺在環境中非常不容易被自然分解,益達胺的半衰期長達 228 天,因此當昆蟲吃進含有農藥益達胺的農作物時,益達胺後會保留在昆蟲體內好長一段時間。

據統計每隻食蟲蝙蝠一晚上就能吃掉數百隻,甚至上千隻的昆蟲,雖然蝙蝠對昆蟲數量的控制佔舉足輕重的角色,然而當蝙蝠吃進上千隻昆蟲的同時,昆蟲體內的農藥益達胺也不斷的累積在蝙蝠的體內,農藥益達胺累積到一定量後便會損傷蝙蝠腦部的神經元。

蝙蝠發出的超聲波譜也變得「五音不全」

吳忠信指出,蝙蝠飛行時會利用回聲定位系統來捕食空中的昆蟲或是躲避障礙物,蝙蝠的回聲定位系統包含了發聲、聽覺與飛行定向三大系統。當週遭環境遭受到工業以及農業汙染時,蝙蝠可能會因為攝入過量的環境重金屬或是農藥而造成回聲定位系統受損,最終造成蝙蝠的迷航。

為解開蝙蝠迷航的謎團,吳忠信團隊利用臺灣葉鼻蝠作為實驗模式動物,透過分析蝙蝠超聲波聲紋圖譜、檢測蝙蝠對超聲波的聽覺誘發電位、以及分析蝙蝠飛行軌跡來分別探討當蝙蝠攝入過量的環境重金屬錳或是農藥益達胺後,對於蝙蝠的發聲系統、聽覺系統與飛行定向系統是否造成損傷?

桃園後慈湖的臺灣葉鼻蝠群聚
桃園後慈湖的臺灣葉鼻蝠群聚。圖/師大提供
  • 臺灣葉鼻蝠

實驗結果發現,當蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺後的昆蟲食物後,原本飛行時發出的「常頻–變頻」(CF-FM)超聲波聲譜會變得殘缺不全。而原本聽覺敏感度較佳聽覺誘發電位,也會因為蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺後的昆蟲食物後而變得很差。此外,當蝙蝠攝食含有重金屬錳或是農藥益達胺後的昆蟲食物後,原本有規律的蝙蝠飛行路徑也會變得相當紊亂。

這結果顯示,環境重金屬錳或是農藥益達胺確實會對於蝙蝠的回聲定位系統造成傷害,此種環境毒物的傷害損及了蝙蝠的發聲、聽覺與飛行定向三大系統,結果引發蝙蝠迷航,而使得蝙蝠無法正常在空中飛翔,甚至喪失捕捉昆蟲的能力。

從分子機制來看,該表現的發聲、聽覺基因也失常了

當重金屬錳或是農藥益達胺累積在蝙蝠體內,是否會影響蝙蝠腦內發聲與聽覺神經元的功能表現?

團隊中的林清隆與王雪娥兩位博士利用「免疫組織化學染色技術」(immunohistochemistry, IHC)與「西方點墨法技術」(Western blot)進行研究,結果顯示,當蝙蝠攝食到含有高劑量重金屬錳或農藥益達胺後,蝙蝠中腦發聲相關神經元 FOXP2 發聲基因的表現蛋白大幅降低;而蝙蝠中腦聽覺相關神經元 Otoferlin 聽覺基因的表現蛋白大幅降低。此外,蝙蝠聽覺耳蝸組織外耳毛 Prestin 聽覺基因的表現蛋白也是大幅降低。這些結果均說明了當重金屬錳或是農藥益達胺累積在蝙蝠體內,確實會大大地影響蝙蝠腦內發聲與聽覺神經元的正常功能表現。

FOXP2 基因是一種轉錄抑制子,功能主要與語言和講話有關,當人體的 FoxP2 基因發生突變後,會造成語言學習困難、講話口齒不清,這影響主要是口腔與臉部涉及講話的肌肉運動協調不佳。而 Otoferlin 基因是耳蝸內將聲音訊號轉換為神經訊號過程中不可或缺的一部份,若病人的有缺陷,其耳蝸外型結構會是正常的,但是並不能正常的運作。此外,聽覺耳蝸組織外耳毛細胞具有 Prestin 運動蛋白質,可以調節內耳毛細胞對聲音的敏感性,特別是對於高頻聲刺激所引起的聽覺敏感性。

重金屬錳或是農藥益達胺究竟透過哪些分子生物途徑,來破壞腦神經元的功能表現?

團隊進一步利用西方點墨法技術研究實驗結果顯示,當蝙蝠攝食到含有高劑量重金屬錳或農藥益達胺後,腦組織與耳蝸組織的神經發炎表現蛋白質 TNF-α 會明顯增強。此外,腦組織與耳蝸組織中細胞凋亡表現蛋白質的 Cytochrom C、Caspase 12、Caspase 3 也顯著增加。這些結果說明了,當重金屬錳或是農藥益達胺累積在蝙蝠體內,確實會藉由引發腦內發聲與聽覺神經元的發炎與細胞凋亡反應,進而損傷蝙蝠腦內的回聲定位系統,如此一來便可能造成蝙蝠迷航,使得蝙蝠無法在空中正常飛翔。

蝙蝠是農民的好朋友

新北瑞濱蝙蝠洞內的東亞摺翅蝠。圖/師大提供
新北瑞濱蝙蝠洞內的東亞摺翅蝠。圖/師大提供

世界上有一百多種果樹,都有賴蝙蝠播種及傳播花粉。在臺灣有些農民利用農園附近設置蝙蝠屋,讓蝙蝠幫忙除蟲,食蟲性蝙蝠對農業蟲害控制具備關鍵作用,不但可增加農林產業之營收,也可減少因大量使用農藥所造成的環境污染。研究人員發現單隻食蟲蝙蝠一個晚上的覓食就可能吃掉數百隻,甚至上千隻的昆蟲,其中不乏許多可能危害農作物的經濟害蟲,不僅對農業收成助益甚大,而且不會污染環境,對控制害蟲的數量極為重要,可說是免費的「天然殺蟲劑」,對於生態與人類的經濟活動具有重大影響。

除此之外,農民也會收集蝙蝠糞便當肥料,蝙蝠糞便是一種優質而高效的磷肥,可促進農作生長進而降低成本,施用蝙蝠糞便除了減少化學肥料對土地的傷害,耕種的有機蔬菜也可長得非常健康茂盛。利用蝙蝠除蟲與糞便施肥,成為有機農業耕種的新模式,也為臺灣的農業帶來新的商機。

雖然利用野生蝙蝠監測臺灣生態環境至今尚未在國內成為學術研究主流,但是透過野生蝙蝠作為環境評估的生物指標工具,或許可以讓人類了解生活環境中究竟充斥著哪一些環境毒物,藉由環境保護與降低汙染途徑,來維護整體環境品質與確保國人以及野生物的身體健康。

本文改寫自臺灣師範大學新聞稿

  • 台灣蝙蝠的多樣性
文章難易度
活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 114 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

0

0
0

文字

分享

0
0
0
不為人知的鳥秘密?全都藏在羽毛裡——《五感之外的世界》
臉譜出版_96
・2023/09/19 ・2471字 ・閱讀時間約 5 分鐘

比孔雀還要顯眼、高調的鳥類並不多,但如果可以的話,我想請各位先忽略牠那華麗又色彩斑斕的尾羽。我們要將關注焦點放在孔雀頭上形成冠羽的那些硬挺羽毛。

細節藏在羽毛的「振盪頻率」裡

這些長得像鍋鏟的羽毛雖然也很醒目,卻常常被忽略。蘇珊.阿瑪德.康恩(Suzanne Amador Kane)從專門繁殖鳥類的鳥舍與飼養員那裡找來了一些孔雀,再加上一隻來自動物園、曾經不小心飛進北極熊圍欄裡的倒霉孔雀,想要研究孔雀冠羽的用途。

她的學生丹尼爾.凡.貝爾倫(Daniel Van Beveren)在孔雀冠羽上裝設了機械振盪器,並且觀察冠羽的擺動。當機器的振盪頻率為二十六赫茲時──也就是一秒振盪二十六次──冠羽擺動得特別劇烈。這是會令孔雀冠羽產生共鳴的頻率,也正好是雄孔雀求偶時擺動尾羽的頻率,因此康恩對我說:「這不可能只是巧合。」

孔雀冠羽產生共鳴的頻率,正好是雄孔雀求偶時擺動尾羽的頻率。圖/pexels

凡.貝爾倫對著架設好儀器的孔雀冠羽播放各種錄音,假如播出的是真正的孔雀搖動尾羽的聲音,冠羽就會產生共鳴;若是播放其他聲音,例如 Bee Gees 的〈Staying Alive〉,就沒有這種效果。

該研究結果顯示,站在求偶的雄孔雀面前的雌孔雀或許真的能夠感知到雄孔雀尾羽製造出的氣流。除了看見雄孔雀賣力的求偶動作以外,雌孔雀或許也能感覺到這一番努力。(這種現象也會反過來,有時候雌孔雀也會對雄孔雀展現自己。)

康恩想要拍攝真實的孔雀求偶時冠羽的模樣,觀察牠們擺動冠羽的頻率是否真和尾羽相同,藉此證明她的論點。假如真是如此,就表示孔雀求偶的過程中除了有浮誇的視覺效果以外,其實還存在著人類一直以來都沒注意到的元素;而我們會忽略這些細節,是因為缺少適當的配備。

假如連大自然中如此耀眼浮誇的行為展演中,都有被我們忽視的環節,我們到底還錯失了多少東西?

孔雀細小的纖羽會告訴我們答案

從孔雀冠羽底部細小的纖羽(filoplume)就能找出線索。纖羽的樣子就像一根尖端為簇狀的茅,還能做為機械性受體之用。

當空氣流動擾動了冠羽,便會擠壓到纖羽,進而觸發神經。大部分的鳥類都有纖羽,而且幾乎都會伴隨其他羽毛一起發揮作用。

鳥類可以透過纖羽掌控羽毛的狀態,因此或許能夠在鳥羽澎亂時即時整理羽毛,重整態勢。不過纖羽還有一項最重要的功用──幫助鳥類飛行。

從孔雀冠羽底部細小的纖羽就能找出線索。圖/pexels

避免失速墜落技巧

鳥飛行的樣子看起來是如此地輕鬆自在,因此我們很可能根本想不到那是一件多費力的事。為了維持在空中飛行,鳥必須一直調整翅膀的型態與角度。如果一切都對了,氣流就能順著翅膀流動,鳥類的身體也就能順利抬升至空中。

然而如果鳥的翅膀角度太大,原本順暢的氣流會形成擾流,抬升的力量也就隨之消失,這種現象叫做失速(stalling)。一旦鳥無法避免這種狀態產生或即時修正,就會從天上掉下來。不過這不常發生,一部分原因是因為纖羽能為鳥類提供必要資訊,因此能夠因應各種情況快速調整翅膀的狀態,避免不幸。

老實說,這種能力實在相當驚人。我記得有次站在船上看著一隻海鷗緊跟船身飛行;那天風很大,而我們──也就是我坐的船和那隻海鷗──都在高速移動。當我伸出手感受從手上與指間吹過的風時,不禁讚嘆海鷗的翅膀竟然也能產生同樣的作用,讓鳥類能夠在天空中飛翔。

如果一切都對了,氣流就能順著翅膀流動,鳥類的身體也就能順利抬升至空中。圖/pexels

然而我當時我根本不知道鳥類還會運用纖羽判讀氣流,在飛行時不斷微調姿態。法國的眼科醫師安德烈.羅尚-杜維尼奧(André Rochon-Duvigneaud)曾描述鳥是「一對靠雙眼引導方向的翅膀」,不過這個說法還不夠正確──鳥的翅膀其實會為自己找到方向。

蝙蝠翅膀長得不一樣,功能卻一點都不差

蝙蝠的翅膀也是如此。牠們翅膀的薄膜雖與鳥羽構造大不相同,敏感度卻不相上下。蝙蝠的翅膀薄膜上布滿有敏銳觸覺的毛髮,這些毛髮從小小的半圓球狀上凸出,並且連接著機械性受體。

蘇珊.斯德賓發現這些毛髮大多數只會對來自蝙蝠背後往前吹拂的氣流有反應,而這種現象通常在蝙蝠快要失速時才會出現。因此蝙蝠其實就跟鳥類一樣,都能感覺出快要失速的狀態,也能夠及時採取行動修正。

多虧這些毛髮,蝙蝠能以陡峭的角度飛行、在空中盤旋和後空翻,捕捉在尾巴附近的昆蟲,甚至還能以頭下腳上的姿態降落。當斯德賓以除毛膏去除蝙蝠翅膀上的毛髮,並讓牠們飛過障礙物後,可以發現毛髮消失對牠們產生的影響非常明顯。

蝙蝠翅膀的薄膜雖與鳥羽構造大不相同,敏感度卻不相上下。圖/pexels

牠們雖然不會墜落,卻會選擇與周邊的物體保持相當的距離,轉彎的角度也比平常更大,姿態更笨拙;反之,假如牠們翅膀上的毛髮完好無缺,就能夠以離物體僅僅幾公分的姿態飛行,還能做出過髮夾彎一般的飛行動作。

對牠們來說,氣流感受器的存在與否決定了牠們只能用一般方式飛行,還是能夠進一步做出各種飛行特技。

對於其他動物來說,這些感受器的存在很可能更是存亡與否的關鍵。這或許就是為什麼它們會演變為這世上數一數二敏感的器官。

——本文摘自《五感之外的世界:認識動物神奇的感知系統,探見人類感官無法觸及的大自然》,2023 年 8 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

臉譜出版_96
80 篇文章 ・ 253 位粉絲
臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

3

8
5

文字

分享

3
8
5
大腦的運作是中心化還是去中心化?
YTC_96
・2023/04/07 ・3988字 ・閱讀時間約 8 分鐘

區塊鏈的核心概念 “去中心化” 是近期熱門討論的議題之一,甚至被認為是人類未來重點的科技發展項目。區塊鏈的底層技術不但可能改變傳統金融的 “中心化” 模式,也是發展元宇宙、數位資產以及非同質化代幣(Non-Fungible Token,簡稱:NFT)的關鍵。

大腦控制著人類七情六慾及吃喝拉撒,由數百億個神經元所組成。如此錯綜複雜的神經網路結構,讓許多人將大腦的神經網路與資訊網路做類比,並模仿生物神經網路來建立更有效率的數學模型。

大腦由數百億個神經元所組成,控制著我們的七情六慾及吃喝拉撒。謝啦,大腦! 圖/GIPHY

同時,為了解大腦真正的運作機制,我們也會借鏡已有的計算模型,試圖透過演算以及推論來得知大腦的未解之謎。區塊鏈的去中心化能分散風險,避免結構受損時的訊息損失,這就好似大腦的可補償性,但是在其他的特性上大腦在運作上究竟是偏向中心化還是去中心化呢?這篇文章我們將討論大腦的網路結構以及運作功能的理論。

大腦作為整體來運作,既非單一中心也非完全去中心化

人類的大腦結構極為複雜,由大約 860 億個神經元組成,電訊號無時無刻在各錯綜複雜連的神經網路中傳遞。

科學家們藉由觀察及操弄,甚至模擬來推論部分大腦的功能,透過體外細胞或組織的實驗操作(in vitro)、存活個體的生物實驗(in vivo),又或是於電腦中進行的模擬(in silico),希望能解密神經網路的運算原則。可惜至今我們還無法全面的了解大腦是如何處理及儲存環境複雜的訊息,並極有效率地讓我們做出認知思考、情緒表現以及運動反應。

1950 年代的認知革命(cognitive revolution)開始將科學方法導入心理學的研究,並認為大腦的主要工作就是在進行訊息處理,將外界訊息傳換成內在的想法及感受,甚至認為心智是可模組化的[1]。他們認為要了解心智運作,只需要將大腦想像成一台汽車,只要能拆解並了解各零組件功能,就能再重新組裝一部一模一樣的車。

現代實驗心理學之父,認知心理學以及構造主義心理學(structural psychology)的重要奠基者威廉.馮特(Wilhelm Maximilian Wundt)和其學生愛德華.鐵欽納(Edward Bradford Titchener),則認為心智就像是化學一樣,可以解析成單位來研究。

但是,我們大腦的運作並非機械,拆解成小單位反而無法看到其整體是如何運作產生功能。心理學的格式塔學派(Gestalt),也稱為完形心理學,由馬科斯.韋特墨(Max Wertheimer)、沃爾夫岡.苛勒(Wolfgang Köhler)和科特.考夫卡(Kurt Koffka)三位德國心理學家創立,以我們感官的認知經驗作為證據提出大腦的運作原理是整體的看法。

就如同圖中看似毫無規律的黑點,在格式塔學派的整體性(emergence)的理論中,我們大腦能顯示出一隻大麥町狗在樹旁低頭的影像,但若是我們只擷取整個大麥町的頭的部分圖像給尚未看過原圖的人觀看,幾乎是無法看出該圖是代表一個狗的頭(圖一)。

格式塔學派說明的經典例子。圖中的狗並沒有完整的輪廓,但我們卻能察覺 「狗」做為一個整體並辨認其各身體部位。
圖一/POPULAR SCIENCE
擷取左圖狗頭的部分。若只將此擷取圖給尚未看過原始圖的人看,是很難看出擷取圖代表的意義。圖一/POPULAR SCIENCE

上述關於心智的理論都認為大腦是作為整體來運作,並非單一中心又或是完全去中心化。但大腦在結構上是作為整體運作還是有分工呢?從神經解剖上來看,大腦有功能區位化或類似多中心的特性,大腦皮質部分大致分為前葉(frontal lobe),主要是處理運動、工作記憶的部分;頂葉(parietal lobe)則是負責處理感覺以及注意力;顳葉(temporal lobe)則是聽覺,而枕葉(occipital lobe)則是視覺[2]

雖然這樣的構造看似違背了格式塔學派的看法,不過隨著解剖及記錄技術的進步,發現不同腦區有互相連結且彼此震盪(oscillation),並有利於訊息整合,說明腦區間訊息是流通且會互相影響。譬如前葉和顳葉的 Gamma 頻率神經震盪和語言運動控制有關[3]。此外,異常的腦區間震盪也與精神疾病導致的失常認知功能有關[4][5],也符合大腦整體運作的重要性理論。

神經網路的可能運算特性

大腦透過多感官訊息的運算整合了解世界。舉例來說,在走路時,神經系統整合了視覺輸入產生的光流(optical flow)和身體移動帶來的平衡覺前庭訊號(vestibular signal),藉此幫助我們判斷轉頭以及運動方向。

近期有一篇神經模擬的研究,則試圖了解去中心化的神經網路在處理多感官整合的可能性。研究團隊嘗試以視覺與平衡覺整合來推論轉頭方向,結果發現去中心化模型能理想地整合不同線索的訊息及推估刺激[6]

但這與區塊鏈的去中心化是相同的嗎?

目前對神經連結的研究,已知大腦內的神經元不是全部都彼此互相連結溝通無阻,這也說明區塊鏈的去中心化在以全腦神經元作為連結單位來看是不存在的。

神經網路的連結原則,被認為可能具有小世界(small world)與無尺度(scale-free)的特性[7]。小世界網路遵循著高集中及相對短連結的特徵,大部分節點並不相連,但卻可以透過少數幾個連結達到,且存在類似中心的樞紐(hub)。

六度分隔理論(six degrees of separation)認為,世界上任兩個互不相識的陌生人,中間人最多只有 6 個人。 圖一/wikimedia

更白話一點就是,點與點看似距離遙遠,其實距離不遠,並且能透過較短的距離彼此連結,這也就是著名的社會人際的六度分隔理論(six degrees of separation),認為任何兩位陌生人所間隔的人不會超過六位[8]。建立在傳統的小世界網路模型之上,也有人認為大腦遵循階層架構(hierarchical structure),各腦葉中由幾個較小且集中的連結形成,而腦葉間的連結則是較為疏散的連結[9](圖二)。

無尺度網路符合幂率分布(power-law)特性,網路中大部分節點只和很少節點連結,但極少數節點與非常多節點連結[10]。此網路有容錯的特性,不會因部分節點失效而讓整體網路喪失功能。但容錯性卻相對應帶來攻擊脆弱的特性,如果重要的節點被攻擊,則網路將嚴重受損。

如此的網路已不再只有一個中心,廣義來看確實像是去中心化。但網路中卻存有多個中心,也是和區塊鏈資料散佈到所有節點的意義是不同的。以上從神經網路可能的數學模型來看,似乎間接說明大腦的中心化及去中心化特性是存在於不同的觀察尺度。

(a)傳統小世界網路,有著高集中及相對短連結的特性 (b)階層式模組網路,局部連結為傳統小世界但幾個大腦區整體連結是較為疏散的。圖二/Brain Structure&Function

神經元是神經運算的最小單元?

從結構上來看,人類大腦有數百億的神經元,若最小的功能性單元為單一神經元,則我們則需要定義數百億的功能,且若某個神經元死亡,則代表該功能喪失。

事實上大腦有著很強的可塑性(plasticity)及某程度的抵抗性(resistance),部分神經的受損可以由其他神經互補功能。若功能性單元不是神經元,有可能是腦葉嗎?但腦葉做為功能單元,則又太過廣泛,舉例來說,就算是視覺,又可細分成顏色,深度,明亮度…等等的概念。如此推論下去,很難就功能性單元有明確的定義。

有趣的是,大腦神經紀錄上確實能看到部分神經對特定刺激會同時反應,又或是同時休息的特性,並且腦區與腦區的連結是以神經束的概念傳遞,而不是單一神經的傳遞。這說明了神經迴路的神經元會形成一集團共同處理同一刺激並往下一站傳遞。這些集團們則有很大的可能擁有與區塊鏈相同的特性,代表集團內的神經元們會彼此共享資訊。並且,少數幾個神經元被移除也不影響訊息處理及傳遞。

可惜的是,若要證明此概念,生物實驗上目前有執行上的困難。因為技術上無法在活體上定義神經元尺度的集團位置及集團成員(神經元)。此外,神經元對應的訊息刺激也尚未有定論,並不像區塊鏈本身就是有著明確定義為有交易紀錄的分散式帳本。

大腦神經紀錄上確實能看到部分神經對特定刺激會同時反應、休息的特性。 圖/GIPHY

結論

從巨觀來看,大腦看似只有幾個重要的中心處理特定功能,從介觀來看,中心與各中心是由錯綜複雜的神經網路的連結形成,為了使訊息傳遞有效率,網路可能遵守著小世界網路或是幂率分布特性。

這樣的連結網路是多中心而不像區塊鏈資料完全透明共享。從微觀來看,由於數個神經元能處理相同刺激並傳遞相同訊息,代表部分神經集團很有可能符合區塊鏈特性,這也解釋為何人類大腦有如此多的神經元。受限於神經集團定義上的困難及進一步驗證此是否符合區塊鏈特性數學上的定義,探索大腦神經網路的特性還需要眾人努力。

參考文獻:

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Cognitive_revolution
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Lobes_of_the_brain
  3. Kingyon J, Behroozmand R, Kelley R, Oya H, Kawasaki H, Narayanan NS, Greenlee JD. High-gamma band fronto-temporal coherence as a measure of functional connectivity in speech motor control. Neuroscience. 2015 Oct 1;305:15-25. doi: 10.1016/j.neuroscience.2015.07.069.
  4. John JP. Fronto-temporal dysfunction in schizophrenia: A selective review. Indian J Psychiatry. 2009 Jul-Sep;51(3):180-90. doi: 10.4103/0019-5545.55084.
  5. Dols A, Krudop W, Möller C, Shulman K, Sajatovic M, Pijnenburg YA. Late life bipolar disorder evolving into frontotemporal dementia mimic. Neuropsychiatr Dis Treat. 2016 Sep 7;12:2207-12. doi: 10.2147/NDT.S99229.
  6. Zhang, W. H., Chen, A., Rasch, M. J. & Wu, S. Decentralized Multisensory Information Integration in Neural Systems. J Neurosci 36, 532-547, doi:10.1523/JNEUROSCI.0578-15.2016 (2016).
  7. Yao Z, Hu B, Xie Y, Moore P, Zheng J. A review of structural and functional brain networks: small world and atlas. Brain Inform. 2015 Mar;2(1):45-52. doi: 10.1007/s40708-015-0009-z. Epub 2015 Feb 14.
  8. https://en.wikipedia.org/wiki/Small-world_experiment
  9. Hilgetag, C. C. & Goulas, A. Is the brain really a small-world network? Brain Struct Funct 221, 2361-2366, doi:10.1007/s00429-015-1035-6 (2016).
  10. https://en.wikipedia.org/wiki/Scale-free_network
所有討論 3
YTC_96
9 篇文章 ・ 14 位粉絲
從大學部到博士班,在神經科學界打滾超過十年,研究過果蠅、小鼠以及大鼠。在美國取得神經科學博士學位之後,決定先沉澱思考未來的下一步。現在於加勒比海擔任志工進行精神健康知識以及大腦科學教育推廣。有任何問題,歡迎來信討論 ytc329@gmail.com。

2

1
1

文字

分享

2
1
1
糞便不但能入藥,還能治病!將糞便微菌叢植入體內會發生什麼事?
胡中行_96
・2022/04/16 ・2332字 ・閱讀時間約 4 分鐘

(警語:本文可能令讀者「難以下嚥」,建議勿於用餐時間閱讀,謝謝。)

假若有個長達 6 個月的實驗性治療,能改善你纏身逾十載的躁鬱症,但執行的步驟嚴謹繁雜,過程中還得使用他人的糞便,您會願意一試嗎?

一名 28 歲的澳洲男子,在 10 歲時出現廣泛性焦慮症與恐慌症的徵兆,時有憂鬱、失眠的情形,表現近似強迫症的行為以及輕微過動的傾向。他在 15 歲時被診斷出躁鬱症,從此開始服用精神科藥物,而日益加重的恐慌症,更使得他在青少年晚期足不出戶。

一名澳洲男子,因多種疾病使得他在青少年時期足不出戶。圖/Pexels

多年來,他使用過多種藥物,包含:拉莫三嗪(lamotrigine)、喹硫平(quetiapine)、丙戊酸鈉(sodium valproate)⋯⋯等,劑量也多有調整,但情況始終未見改善。2019 年時,他偶然發現吃益生菌(lactobacillus acidophiluslactobacillus rhamnosussaccharomyces cerevisiae)不僅能控制他過剩的食慾,還舒緩了自己的精神疾病。

糞便微菌叢植入的臨床試驗步驟

這個經驗啟發他嘗試用益生菌來取代藥物,並進一步搜尋相關研究。當他讀到「糞便微菌叢植入」(faecal microbiota transplantation)[1] 這種療法,便毅然決然地加入新南威爾斯大學帕克(Gordon Parker)教授的臨床試驗[2]

這項實驗就如同前面所說,步驟非常嚴謹。正式療程的一個月前,這名男子開始服用抗生素(rifaximin 以及 vancomycin),採取低纖維飲食,並且戒酒。實驗結束前三天,飲食從只喝湯與清流質(例如:果汁、茶和水等),一直減到僅剩清流質。最後一晚,還要飲用二份腸道準備藥方(bowel preparations)。

療程當天早上,他先吃了三顆止瀉劑(loperaminde),再經歷 90 分鐘的大腸水療(colonic irrigation),並用液態肥皂(microdacyn)徹底移除腸道內的生物膜,一且終於準備就緒。

糞便微菌叢植入療法要徹底移除腸道內的生物膜。圖/Pixabay

正式療程的首日,醫生在診間分別透過結腸鏡(colonoscopy)和灌腸(enema),對他投以高劑量的健康糞便。次日,再次用高劑量糞便灌腸。往後要求他在家則以低劑量灌腸,頻率從每天一次逐漸遞減,直到變成二週一次,就此維持數月。

儘管大腸水療的過程猶如麻辣湯底在腸道中翻騰,「糞便微菌叢植入」卻能使患者感到整個人煥然一新。參與這個臨床試驗的澳洲男子,從 2020 年 9 月接受正式療程的首日開始,直至 2022 年 1 月為止,針對自己的情緒進行量化紀錄。結果顯示這個臨床試驗的療效,完全取代所有他原本服用的精神科藥物,不僅穩定他的情緒,還改善過動的症狀。

研究團隊以此經驗推論,或許「糞便微菌叢植入」在對口服益生菌有反應的患者身上,較容易見到療效。此外,他們希望將來的研究能釐清「糞便微菌叢植入」的療程,是否能簡化或縮短。

「以屎入藥」早在漢醫就開始使用,現今使用方式不同

話說回來,其實糞便入藥並非西醫專屬,漢醫老早就將男童與動物的糞便拿來內服外用。然而,經由灌腸植入人類糞便的作法[3],是 1958 年時美國的伊斯曼(Eiseman)醫師與同事們首創。1988 年澳洲的博羅迪(Tom Borody)醫師受到美國案例的啟發,也用同樣的方法治癒了患者的「困難梭狀桿菌感染」(clostridium difficile infection),開啟近代「糞便微菌叢植入」研究的風潮。

幾年前,還在他的「消化道疾病中心」(Centre for Digestive Diseases)增設「糞便銀行」,以造福更多病患。目前,除了羅博迪醫師的腸道感染治療,以及帕克教授的精神病研究,「糞便微菌叢植入」技術也在世界各地被廣泛運用在自閉症[4]、慢性疲勞症候群、癌症等疾病的臨床試驗上。

「糞便微菌叢植入」技術也在世界各地被廣泛運用在自閉症、慢性疲勞症候群、癌症等疾病的臨床試驗上。圖/Pexels

目前美國是將「糞便微菌叢植入」當作新藥開發,而澳洲則是作為生物製劑管理。值得一提的是,臺灣的衛福部也在 2018 年時,增修《特定醫療技術檢查檢驗醫療儀器施行或使用管理辦法》,允許「健康捐贈者的腸道菌叢,以灌腸、內視鏡或口服膠囊方式植入病人腸道系統」。法令通過後,諸如林口長庚、臺北榮總等醫院,紛紛設立相關部門,進行困難梭狀桿菌感染的治療和其他運用的臨床試驗。另外,國內不少學術會議和刊物,也都正在討論該療法未來的發展。

註解

  • 註 1:Soo WT, Bryant RV, Costello SP. Faecal microbiota transplantation: indications, evidence and safety. Aust Prescr 2020;43:36–8. https://doi.org/10.18773/austprescr.2020.014 
  • 註 2:Parker, G., Spoelma, M.J. and Rhodes, N. (2022), Faecal microbiota transplantation for bipolar disorder: A detailed case study. Bipolar Disord. https://doi.org/10.1111/bdi.13187 
  • 註 3:EISEMAN B, SILEN W, BASCOM GS, KAUVAR AJ. Fecal enema as an adjunct in the treatment of pseudomembranous enterocolitis. Surgery. 1958 Nov;44(5):854-9. PMID: 13592638. 
  • 註 4:Kang, DW., Adams, J.B., Coleman, D. et al. Long-term benefit of Microbiota Transfer Therapy on autism symptoms and gut microbiota. Sci Rep 9, 5821 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-42183-0 

參考資料

所有討論 2
胡中行_96
150 篇文章 ・ 54 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。