Nikon 顯微攝影大賽作品：美麗的神秘水生物

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擴張顯微術、免疫螢光標記搭配雷射共軛焦顯微鏡，果蠅腦部緻密的多巴胺神經網路展開在我們眼前。初看猶如璀璨星雲，接近端詳就能發現神經束繁複清晰，聯繫著綻放光芒的神經元，猶如從太空站觀看的都會夜景。

這張精彩的作品「Wiring the Brain」，是以果蠅大腦探索連接體學，尋找腦部運作奧秘的路線圖之一，由清華大學腦科學中心的博士生劉柏亨拍攝。獲得 2023 Taiwan 顯微攝影競賽銀獎，不僅是劉柏亨在追求科學真相途中的額外收穫，也是他對自己多元興趣的重要實踐。

從材料工程到腦神經 追求變化的躍動旅程

大學時主修材料科學的劉柏亨，從「自修復材料」開始，研究興趣逐漸從工程領域轉向仿生（Bio-inspired）科技。他的碩士班題目是以生物晶片模仿心臟，作為藥物篩選平台。對他自己和指導教授都是嶄新的題目。

「我是個很好動的人，因此選擇了一個全天都在活動的器官。」

——劉柏亨說，當時雖有學長研究細胞遷移，但對他來說還不夠「動感」，因此選擇團隊中沒有先例的心臟作為研發目標。

以仿生材料模擬心臟的過程中，劉柏亨意識到，「我對細胞、組織的基本原理還不夠了解，容易以工程師的觀念模擬心臟特性，有時會違反真實、整體的生理學。」他因此萌生了建立生醫知識基礎的求知慾。

劉柏亨想要挑戰更複雜的器官，進入江安世院士領導的清華大學腦科學研究中心攻讀博士，將短期具體研究目標放在「腦神經的影像化」，長期的探索方向則是「系統性地理解『生命現象』」。

無畏複雜 以系統視野理解生命

劉柏亨說明，上一階段的生命科學著重精準分析特定分子的功能，逐步研究細胞生理的單一面向。但人體不只由數種分子或細胞組成，而是上兆個細胞形成群體、互相影響，才展現出人類個體的生命表現。

以系統生物學（Systems Biology）觀念，整合地理解人類生命，是劉柏亨著迷的目標。他說，因為分子與細胞生物學研究充分累積，現今的生醫知識基礎與技術成熟，已形成科學家投入系統生物學的良好時機。

其中最吸引他的，是呈現腦神經系統的「連接體（Connectome）」及探究其整體運作的「連接體學（Connectomics）」。

連接體學是探究精神官能症狀、神經性疼痛、認知退化等腦部相關疾病的最新路徑。解碼線蟲、果蠅等模式生物較為簡單的神經連接體，將能推動對人類腦部運作方式的理解，也是神經生物學與醫學的關鍵方向。

系統生物學重視聯繫與整合的思維，不僅是劉柏亨追求知識的途徑，也延伸了他對生物學專業與社會的觀點。

這位接連跨足不同領域的博士生說，擷取腦神經影像的程序從前端的生物材料製備，到後端影像系統的工程科技都不可或缺，不是一個人的專業能力能夠包辦。

他因此體悟，每張顯微影像都結合多種專業，而生物學的每一步進展也是不同領域科學家努力的整體成果，並非一個天才在單一領域獨力鑽研而成。

「許多不同的神經細胞彼此透過突觸聯繫彼此，建構出有神奇功能的腦。就像是人與人建立連結，建構社群與社會。」

——劉柏亨在頒獎典禮現場如此介紹自己獲獎的顯微影像。

工程師的生物學 如調酒般逐步改良

這張螢光染色的果蠅腦神經多巴胺網路圖，輸出到超過人腦的截面積，依然清楚呈現星羅棋布的迴路與神經元。跨越繞射極限的清晰成像，要歸功於擴張顯微術（Expansion Microscopy）與劉柏亨逐步改良工法的耐心。

劉柏亨解釋，擴張顯微術中「分解」步驟對螢光訊號最為關鍵。蛋白酶能夠有效分解（digest）樣本的蛋白質骨架，讓樣本順利擴張，但是會犧牲不少螢光蛋白與解析度。

替代方法是以藥物促使蛋白質變性（denature）降低張力，維持螢光訊號強度，但是樣本擴張過程會有較多阻撓，導致結構變形。劉柏亨說，

「結構變形，就不是原本要追求的東西，訊號再強也沒有用。」

他笑稱自己「『像個工程師』地追求實驗最佳化，把兩種分解途徑混成雞尾酒，每一杯都稍微調整改良。」他調和兩種分解概念，嘗試不同藥劑濃度、工序、實驗溫度；或以生物素化（Biotinylation, 在樣本擴張前使用）, 鍵擊化學（Click Chemistry, 在樣本擴張後使用）放大螢光訊號。

經過了近四十份的樣本製作與拍攝，終於得到滿意的影像。他敘述製作過程的語氣輕快，其實每一次擴張顯微術的製備與拍攝，都是漫長嚴謹的科學工作。

每一組樣本（大約十顆果蠅腦）的免疫螢光染色工期大約一週，擴張過程耗時三至四天；以轉盤式共軛焦顯微鏡拍攝單顆擴張的果蠅腦樣本，則需要 18 小時左右；接著要花上一整天，等待軟體拼接壓縮上萬張圖片。

獲獎的「Wiring the Brain」就是超過 10 萬張顯微照片的拼接疊合而成，包含將原本立體的影像透過專用軟體壓縮成平面。劉柏亨譬喻，「打開全新的 iPhone15 Pro，按住快門連拍直到記憶體滿載罷工，就是一張果蠅連接體影像需要的容量。」

繁密的連接體影像，不僅讓劉柏亨在連接體學的迷宮中前進，也能滿足他對美感與藝術的追求。在實驗室外也是攝影愛好者的劉柏亨，本學期正在修習清大科技藝術研究所曹存慧老師的生物藝術課程。

藝術家的生物學實驗室：向外延伸感官 向內反思存在

劉柏亨興奮地分享，他正與組員規劃虛擬展覽「藝術家的生物學實驗室」，模擬一個身懷生物科技的藝術家，會如何規劃他的實驗室。

腦機介面、組織再生、基因工程，是三個劉柏亨想要優先呈現的技術。

從編輯 DNA，改變蛋白質，最後型態出現差異，基因工程是現代生物技術的基礎。組織再生可以展現生物體修復能力與生醫工程的可能性。腦機介面則是最直接觸及心智能力、感官範疇，也結合最多精密工程技術的領域。

「這個藝術家本身帶有基因或感官的缺陷，試圖用生物科技延伸他的感官。參觀者能體驗生物科技延伸感官、改變身體的能力，並從中反思我們作為個體存在於環境中，與環境互動的關係。」

——劉柏亨解釋藝術計畫的初衷，一如對顯微技術的投入。

與藝術學院同學合作的過程中，劉柏亨發現組員們對生物學的知識足夠，較為不同的是，藝術領域的組員對於色彩組合或實驗操作，常常比科學領域的學生更加直覺，帶來浪漫的不確定性及意外的創造性。這種風格能與劉柏亨的藝術追求產生共鳴，但是科學研究必須要求精確，在浪漫與精確之間拿捏，也是他練習的目標。

另一方面，藝術學院的組員也常引導劉柏亨設計出更簡潔的生物學科普展示；或是透過討論，讓他想傳達的科學概念更具體明確。

使新奇成為日常元素 顯微鏡是好奇心泉源

從攝影、腦神經到生物藝術，劉柏亨喜歡讓心智保持活躍與好奇。他形容自己，「每天我都需要新的刺激，我喜歡讓學習新事物成為生活的常態。」他對顯微技術的投入，也是由碩士班期間的好奇心開啟。

當時的實驗室備有共軛焦顯微鏡，劉柏亨並不負責保養，也不須理解光路，但是好奇心驅使他向前來校正的工程師陳正義學習。劉柏亨說「正義哥算是我的顯微技術啟蒙老師，只要他出現在實驗室，我就會站在旁邊追問。」

現在劉柏亨遇到超越既有能力的顯微技術問題，不僅會和團隊成員討論，也會向其他實驗室的技術人員，甚至教授求教。參與不同團隊合作架設光學系統的過程，讓他深入了解雷射共軛焦顯微技術的原理，並體驗以精密工程逐步實現理論。

劉柏亨認為，顯微技術不僅是延伸感官的工具，更提供理解周遭世界的全新方式。隨著理解方式改變，好奇心與探索的內在動力會源源不絕地湧出。

「顯微鏡其實是激起好奇心的動力引擎。」

——劉柏亨認為從日常生活進入微觀世界，最重要的回饋是對人內在的激勵，不只是外在的觀察。

從機器管家出發 追問生命的意義

對自己的研究目標轉換，劉柏亨說「心臟的細胞運作起來具有高協同性，像是訓練有素的樂儀隊。但腦神經的運作瞬息萬變，隨時變化，更像是社會中的人際連結。」儘管像是越級打怪，他仍想探索更複雜的生命系統。

說到自己對生物學的內在動機，劉柏亨回憶，「我一直記得電影《機器管家》（Bicentennial Man，1999 年上映）。透過機械工程組合無機的零件，可以模擬一個真實的人類，與人建立感情。其中一定需要對生命原理的了解，非常神秘。」

對複雜生命現象進行整合研究，進而建立精密的仿生系統，這個系統不僅可能成為藥品篩選、器官再生平台，在更遠的未來可能成為人的延伸，甚至模仿人的整體生命表現。

這個猶如科幻小說楔子的目標，由劉柏亨敏銳的好奇心與多元的科學技藝積累堆砌而成。他說，

「在理解、實現這個系統的過程中，我會掌握生命的意義。」

參考文獻

• Complete wiring map of the insect brain NIH
• See an Amazingly Detailed Map of the Fruit Fly Brain Nature
• Gigantic map of fly brain is a first for a complex animal Nature
• Website of Ed Boyden

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乍看以為是寶石結晶的斑馬魚肌纖維、如竹林屏風般的斑馬魚尾鰭，到似貓頭鷹的斑馬魚鏡像圖以及充滿生命力大樹般的斑馬魚神經樹突，每一幅影像都以斑馬魚為題，卻拍出不同的趣味。

本次 Taiwan 顯微攝影競賽八名優選獎中，就有四位得獎者是中研院細胞與個體生物學研究所陳振輝老師的學生。這些拍出技術與美感兼具作品的研究者，分別為 Uday Kumar、Marco De Leon、陳樂融和劉昱秀。

其中， 來自印度的 Uday Kumar 參加第一屆顯微攝影競賽至今，年年獲獎，更榮獲首屆金獎。而他的同儕，來自菲律賓的 Marco De Leon 也因受到他的啟發參賽，於今年獲得優選。

陳振輝老師實驗室主要以斑馬魚為樣本進行再生研究。他的學生們各自探索斑馬魚的不同組織或器官；有人專精於研究心臟、有人專門研究神經，有人則專門研究肌肉纖維。

Uday Kumar 表示，由於每個人研究的方向不同，因此必須從基因工程到成長過程，各自「顧好」自己的斑馬魚。

這些攸關研究進度與實驗設計的斑馬魚，養殖在細生所地下室的魚房。數十個排列整齊畫一的魚缸，裡頭有著各式大小、不同生長階段和品系的斑馬魚。

為了能夠取卵進行基因轉殖，從養殖器皿到時間都必須加以控制。Uday Kumar 表示，除了一般魚缸外，養殖斑馬魚會再裝置一個多孔的產卵盒。晚上將公魚和母魚用隔板隔開，並保持環境黑暗，避免交配產卵。

等到隔天上午將隔板拿掉，讓公魚、母魚相會，並利用光周期誘發產卵、受精後，必須將特製的產卵盒斜置，好讓受精卵下沉到魚缸底部。如此一來，也可避免斑馬魚將受精卵吃掉。

陳振輝老師實驗室專注於「多顏色細胞標誌技術」（Brainbow/Skinbow）。利用基因重組的方式，將紅、藍、綠三種不同色的螢光蛋白在個別細胞裡表現不同數量，依不同比例產生更多顏色來標誌不同細胞。

Uday Kumar 表示，要將目標基因注入細胞內，需要使用顯微注射技術，在立體顯微鏡下將注射管準確地插入受精卵中。

不過這對他來說，顯微注射已經是一件熟練到「像騎腳踏車」般簡單的事，一天注射超過 500 顆受精卵都沒問題。

雖然基因轉殖對這些研究者來說已是熟能生巧的事，但要建立新的基因轉殖魚仍然要花上漫長的時間，通常需要 6 個月到一年，品系才會逐漸穩定。以 Uday Kumar 於 2021 年獲得金獎的作品來說，就是花了兩年才培育出能以正確比例呈現美麗色彩的斑馬魚。

顯微攝影的每一幅作品除了呈現出精彩美麗的影像外，背後更蘊含著每一位研究者精湛的技術以及長久累積的研究心血。

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參考資料

1. 顯微鏡下一抹彩虹，陳振輝，《中央研究院週報》第 1610 期
2. 臺灣斑馬魚中心——中研院分支介紹，黃聲蘋，《中央研究院週報》第 1360 期
3. 心臟、尾鰭與脊椎，那些以斑馬魚進行的「再生」研究
4. 「從動物身上問對問題，就可以找到答案！」陳振輝談斑馬魚的超強再生力

2019 這一年，除了人類首次捕捉到黑洞影像外，也捕捉到了微觀世界中生物的新奇影像，以及氣候變遷的不祥跡象。《Nature》雜誌精選了十張令人印象深刻、值得反思的科學界及自然界照片，讓我們來一探這些照片背後述說的故事吧！

一、用科技模仿人體奧秘

法國研究人員在矽晶圓上雕刻了一個微流控室的迷宮，以模仿循環網絡中的血液流動。 法國蒙彼利埃大學的生物物理學家 Benoît Charlot 使用掃描電子顯微鏡拍攝了此圖像。

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二、細胞世界的相似相異

圖片圓圈中的每個小點代表恆河猴的一個細胞，而此處有 100,000 個細胞。具有相似性狀的細胞聚集在一起，每種顏色代表不同的組織，如胸腺和淋巴結（藍色）、骨髓（紅色）。

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三、世界上最小號的「喇叭」

喇叭蟲 (Stentors) 為單細胞淡水原生動物。 這張照片是霍華德·休斯醫學研究所 (Howard Hughes Medical Institute) 的研究員 Igor Siwanowicz 的作品，她將影像放大了 40 倍，並藉此獲得 2019 年 Nikon 小型世界顯微攝影大賽二等獎。

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四、地球正如履薄冰

攝影師 Florian Ledoux 使用無人機拍攝了東格陵蘭島海冰的空拍圖。冬季積雪少、春季熱浪來襲和陽光充沛的夏季，都導致格陵蘭島冰原正在大量融化。

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五、相會在太空

宇航員 Christina Koch 拍攝了聯盟號飛行器 (Soyuz spacecraft) 的畫面。當時飛行器載著她的 NASA 同事 Jessica Meir 接近國際太空站 ( International Space Station, ISS)。10 月 18 日，兩人進行了史上第一次只有女性的太空行走，以修復國際太空站上故障的電池。

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六、龜殼內的身體探索

這隻烏龜胚胎的螢光影像是 2019 年的 Nikon 小型世界顯微攝影大賽的獲勝者。顯微鏡專家 Teresa Zgoda 和 Teresa Kugler 攜手疊合了數百個約 2.5 厘米長的胚胎立體顯微鏡圖像，造就了這張唯美又令人驚嘆的烏龜胚胎照。

• 延伸閱讀：變男變女變變變，小烏龜在殼內的「胎動」可以影響性別？

七、「振」出新視野

這幅合成的彩色圖像顯示了超音速美國 T-38 Talon 飛機發出的衝擊波。這是美國 NASA 的工作人員使用實驗技術從飛機上方所捕獲的視野，它展現了飛機行經造成的氣壓快速變化，會使人們聽到音爆。這些數據可幫助航空工程師設計更安靜的超音速飛機。

• 延伸閱讀：衝啊！音速小子—淺談音爆及光爆

八、守護象群的女勇者

Petronella Chigumbura 是全女性反偷獵組織 Akashinga（可被譯做「勇者」）的成員。 她們在常發生盜獵大象事件的贊比西河谷 (Zambezi Valley) 的蓬蓬杜野生動物保護區 (Zimbabwe’s Phundundu Wildlife Area) 巡邏。

• 延伸閱讀：犀牛角下毒只為反盜獵：那些被逼無奈的保護措施

九、何以為家？

一隻小丑魚在紅海中探索白化的海葵。像珊瑚一樣，海葵與藻類會形成共生關係，當海洋溫度過高時，這樣的關係會被破壞，導致海葵將藻類排出而失去原有的顏色。

• 延伸閱讀：岌岌可危的珊瑚礁生態系（上）：認識海洋裡的熱帶雨林
  岌岌可危的珊瑚礁生態系（下）：我們能為珊瑚礁做什麼？

十、一滴油脂識酒種

圖中這種網狀紋路來自於研究人員蒸發掉 1 微升 (μl，10^-6 l) 波本威士忌後，其中的油脂所形成的紋路。 脂肪會溶解在高酒精濃度的烈酒中，但是加水稀釋後會使酒變渾濁。不同的威士忌酒種由於製程不同，會留下獨特的脂肪紋路。

• 延伸閱讀：威士忌的科學：為何「蒸餾」是製造威士忌的關鍵步驟？

加碼《Nature》編輯群私心推薦照片

在整理今年令人驚嘆的科學照片集同時，《Nature》雜誌的編輯們也各自私心推薦令他們印象深刻的畫面。以下是他們對這些照片的心得。

沉睡的海豹

Jessica Hallett （《Nature》媒體助理編輯）： 「在倫敦自然歷史博物館舉辦本年度的野生動物攝影師競賽中，我最喜歡的照片是『像威德爾一樣睡著』( ‘Sleeping like a Weddell’)。 在今年觀看了成千上萬幅令人心碎的氣候變化、破壞和心靈重創的圖像之後，這張捕獲了和平與純真的威德爾海豹 (Leptonychotes weddellii) 照片是一口清新的空氣。它重新激發我對自然世界的熱情。」

懸崖採蜜人

Lizzy Brown（《Nature》媒體執行編輯）： 「採集野生蜂蜜的人垂吊繩索在懸崖搖晃，周圍環繞著蜜蜂和煙霧，吸引了我的目光。 這些採蜜人是居住在中國南部的傈僳族人，冒著生命危險收集蜂蜜。儘管他們謹慎地避免一次收穫過多的蜂蜜，然而殺蟲劑濫用和全球暖化導致的蜂群數量下降，仍舊威脅了這個傳統。」

受傷的猩猩寶寶

Nisha Gaind（《Nature》歐洲分部總編）：「這是手臂骨折的小蘇門答臘猩猩 (Pongo abelii) Brenda 的 X 光顯像。保育工作者從印度尼西亞島的村莊中救出了她，據說被非法飼養為寵物。作為編輯，我們看過許多保育相關的照片，但是這幅圖片出於許多原因令我十分震驚：不僅是 Brenda 的骨骼形狀非常『人性化』，她的無辜與保育中心的盡心盡力，趨使外科醫生（而非獸醫）為她進行了手術。蘇門答臘猩猩高度瀕臨滅絕，並因棕櫚油種植的擴張而受到威脅。」

著火的樹

Tom Houghton（《Nature》媒體編輯）：「 這張長時間曝光的照片描繪了十月份遍及加州的野火，一棵正被野火肆虐的樹幹殘骸。破壞中蘊含抽象的美麗，讓我想起了 2010 年冰島伊亞菲亞德拉山火山爆發時的畫面。」

• 延伸閱讀：持續蔓延的澳洲大火，全世界的健康與氣候危機？

鯨魚監獄

Amelia Hennighausen（《Nature》美國媒體編輯）：「當野生動物被囚禁時，結局往往會很殘酷。這些白鯨 (Delphinapterus leucas) 和虎鯨於在 2018 年俄羅斯的無人機攝影中被發現。預計將被販售給中國的娛樂水族館，並且很可能縮短牠們的壽命。這些畫面促使國際社會呼籲釋放這些動物，並引起了俄羅斯政府最高層的關注。 2019 年 11 月，最後一批動物從『鯨魚監獄』獲釋，經過專家檢查後釋放回海中。多年來，我一直在查看動物走私、棲息地遭到破壞和物種滅絕的圖像，但是這個故事重啟我的希望，改變是會發生的。」

水滴裡的青蛙

Agnese Abrusci（《Nature》媒體編輯）：「尼泊爾荷葉上一隻青蛙的影像是『蓮花效應』的絕佳例子。 蓮花效應指的是由於蓮花表面的奈米結構使其具有抗水、自我清潔的特性；小顆粒（在這種情況下為整隻青蛙 XD）會被水滴捕獲。在 1970 年代科學家就首次描述了蓮花效應，此後已有許多應用。 對我而言，這張圖再次闡述，模仿自然是人類進步最好的策略之一。」

本文編譯自：The best science images of the year: 2019 in pictures Nature 576, 354-359 (2019)

這是張照片〈Dr. Carlos Alberto Muñoz〉所拍攝，一種名叫”Alona sp.”甲殼綱生物，照片中的它呈現出了淡黃和橙兩種顏色，頗像一副藝術作品，顏色鮮豔，十分美麗。例用微分干涉顯微鏡放大100倍所拍攝。Pages: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13