穿戴式腦磁測量頭盔問世！腦神經研究領域即將大革新？

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

棒球場上的打擊，是一件很困難的任務。我曾有一個體育老師用這麼一句話來形容棒球打者：「在世界上有哪一個職業，失敗率高達七成，卻可以領高薪呢？」當然啦，在中華職棒這個常常出現15:15這種網球般比數的奇妙聯盟，或許好的打擊者打擊率必須要來到3成5才行，但即使如此，一個好的中華職棒打者的失敗率依然高達6成5。

一個打者，要能夠把球打得好，除了打擊本身的技巧之外，選球也是另一個很重要的因素。而選球又可以分成兩個部分，一個是選擇你想攻擊的球路，例如教練常常會要打者「挑直球打」，另一個則是判斷球會不會進入好球帶。

而過去關於棒球打擊的研究，也剛好在「判斷球種」和「判斷好壞球」上有所著墨，本文就要先來介紹「當一個打者在判斷球種時，他的大腦會出現哪些變化呢？」

直球？變化球？

根據我所讀到的論文，實驗者通常會挑選「直球V.S.曲球」或是「直球V.S.曲球V.S.滑球」來做為刺激的材料，而滑球和曲球也是棒球場上最常見的兩種球路。

先來看看在分辨這三種球路的時候，打者所需耗費的時間吧。要分辨一顆球是什麼球路，很重要的一個因素，就是這顆球移動的速度，以及變化的角度。

很直覺的，要分辨一顆球是直球、曲球或滑球，最容易被分辨出來的應該是直球，Sherwin等人在2012年所發表的一篇論文就證實了這一點，他們策劃了一系列的腦電圖（Electroencephalography, EEG）研究，從六名受試者（五男一女，均沒有參與過職業棒球或大學棒球的訓練）腦神經的訊號可以發現，快速球比其他兩種球路更快被區分出來。

除此之外，由於這三種球路的軌跡及速度都有所差異，被辨識出來的時間點也有所不同，因此受試者在區辨這三種球路時的大腦反應模式可以說是截然不同[1]，不過更細節的部分，由於太過複雜，因此就不在本篇文章細談了，有興趣的人可以找出原論文來讀看看。

判斷球種與揮擊時的大腦變化

然而，當一個打者分辨出一種球路是直球、曲球或滑球之後，他們接下來會怎麼做呢？當然就是攻擊它啦！這一個研究團隊後續又做了另一份研究[2]，他們以三名美國大學棒球聯賽第一級（NCAA Division I）的大學棒球隊球員做為受試者，讓他們觀看468個模擬球路（快速球、曲球、控制組，其中控制組是電腦隨機模擬出來的球路，該球路不符合牛頓物理定律的球路軌跡），這個研究分成兩個部分，其中一個是腦電圖的研究，另一個則是功能性磁振造影（fMRI，functional magnetic resonance imaging）的研究。

腦電圖和功能性磁振照影最大的差別就是，腦電圖可以測量到每一毫秒的大腦電波變化，但是沒辦法精確地掌握這些腦電波的變化是來自於哪一個腦區；而功能性磁振照影雖然只能每兩秒鐘掃描一次，但是卻可以測量到很精細的大腦變化。因此，結合這兩種研究，便能夠精確地掌握到，打者在選擇攻擊的球種時，在不同時間上，大腦反應的區域有何不同。

其中腦電圖的研究結果發現，在棒球從投手的手中出手後500ms左右時，打者的大腦反應會來到高峰，這可能反應出打者出手的時機點（以投手板到本壘板的距離18.44公尺而言，該實驗的模擬球路中的速球球速為83mph，換算成我國常用的km/hr後，則是133kph左右，而一顆時速133公里的球，從投出到進入本壘板，所需時間大約是496ms，因此在出手後500ms前後所出現的大腦反應高峰，可能正代表著打者出手的時間點）。

而第二次的大腦反應高峰則是在球出手後900ms時，這可能代表著打者針對剛剛所做的判斷進行反思，因而產生了第二個大腦反應的極大期。

那麼，這兩個大腦反應的極大期，大腦到底在做些什麼呢？這個團隊又用了功能性磁振造影來對大腦在判斷球路時的腦區變化做了研究，研究結果顯示，無論受試者看到的是直球、曲球或是滑球，大腦中對應到的反應區域大多都分布在後半部，而這些區域和視覺處理與動作處理有關，其中包含了參與複雜影像視覺編碼的舌回（lingual gyrus）[3]、辨識物體的側枕葉皮質（lateral occipital cortex，LOC）[4]、解釋視覺圖像的布羅德曼分區（Brodmann）第18腦區[5]、負責注意力和多功能整合的布羅德曼分區第19腦區[6]，以及有助於覺察運動中物體的顳葉中區（middle temporal，MT，又稱視覺皮質第五區，V5）[7]。

而前面提到的第二個神經訊號大量反應的時期，也就是球出手後900ms的反應極大期，在fMRI的研究中則發現，這和上額葉(superior frontal)、副扣帶迴(paracingulate gyri)的反應有關，這些腦區會在受試者正確辨識出球路之後活化，它們負責的功能則是正向顯著事件(positive salient events)[8]和內省(introspection)[9]，白話一點來說就是「受試者很肯定地認為，剛剛所做的判斷應該是正確無誤的！」。

 判斷正確與錯誤，大腦反應也會有所不同

有趣的是，這份實驗也針對受試者判斷正確與判斷錯誤時的大腦變化進行比較，結果發現，當受試者判斷正確時，他們的大腦神經變化，會顯著地活化處理高階視覺反應的MT和側枕葉皮質(LOC) ，以及關於動作控制和處理的蒼白球(globus pallidus)和殼核(putamen) [7]，還有牽涉到自我獎勵的額葉極區(frontal pole regions)，且這些腦區的啟動，是不需要經過意識控制的！也就是說，他們的大腦會很自動地從辨認出球路切換到準備揮棒的模式裡，不需要經過大腦思考，這也是為什麼大聯盟傳奇名將Yogi Berra會說：「打者是不能一邊思考，一邊好好地打擊的（you can’t think and hit at the same time）。」。

反之，當受試者無法對該球種做出正確判斷時，他們便不會啟動預備揮棒的動作區，反而是啟動了位於前額葉的布羅德曼腦區第10腦區[1][2]。前額葉是關於思考與決策的腦區，而布羅德曼腦區第10腦區最主要的功能正是處理困難的認知作業（task difficulty）[10]。這可能是因為受試者有看到這些球，但資訊並未傳到更高階的視覺紀錄區或是正確編碼(如MT、LOC)，因此受試者感到很困惑，因而啟動了負責思考的大腦區域，試圖想出剛剛看到的到底是哪一種變化球。

這樣的研究結果，不免讓我聯想到我打棒球的經驗，其實打者在選擇球路作攻擊時，常常是一種很自然的身體反應，從投手抬腳投球的那一剎那，到擊中球為止，其實打者是沒有什麼時間仔細思考該如何揮棒、何時揮棒的，而是一種連貫「判斷—揮擊」的動作，這正好呼應了實驗研究的結果。

順帶一提，雖然實驗當中並沒有提到這一點，不過我認為，當一個打者被一顆球凍結住，站著不動遭到三振時，很有可能就是因為，他來不及對眼前的球路做出反應，因而未能啟動他下意識的動作區域吧。

我變！我變！我變變變！

在最後，關於變化球和打者反應之間的另一個有趣研究，則是針對「投手的球種越多，會對打者造成什麼樣的影響」為主題進行研究的，結果發現，當一個投手的球種越多時，打者得動用到越多的腦區聯合起來來分辨球路，而非增加某一特定腦區的活動量來分辨球種；除此之外，當投手球種到達三種時，和只有兩種時相比，打者能夠正確區分球種的機率就會掉到5成左右，且反應時間雖未達顯著差異，但會隨著球路越多，而有越來越慢的趨勢[11]。

因此，如果你想成為一個讓打者摸不著頭緒的投手，即便你無法和達比修一樣練成一手七彩變化球，但實驗告訴你，只要有兩種變化球，就足以讓打者有一半的機率猜不透你想投什麼球了！

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參考文獻

1. Sherwin, J.Muraskin, & P.Sajda（2012）You can’t think and hit at the same time: neural correlates of baseball pitch classification. Front Neurosci, 6: p. 177.
2. Muraskin, J.Sherwin,& P.Sajda（2013）A System for Measuring the Neural Correlates of Baseball Pitch Recognition and Its Potential Use in Scouting and Player Development. Sports Analytics Conference.
3. Machielsen, W.C., et al., FMRI of visual encoding: reproducibility of activation. Hum Brain Mapp, 2000. 9(3): p. 156-64. 17.
4. Grill-Spector, K., et al., The lateral occipital complex and its role in object recognition. Vision Res, 2001. 41(10-11): p. 1409-22. 19. Hyvarinen, J., et al., Early visual deprivation alters modality of neuronal responses in area 19 of monkey cortex. Neurosci Lett, 1981. 26(3): p. 239-43
5. Kaas, J.H., Theories of visual cortex organization in primates: Areas of the third level. Extrageniculostriate Mechanisms Underlying VisuallyGuided Orientation Behavior, 1996. 112: p. 213-221. 18.
6. Tootell, R.B.H., et al., Functional-Analysis of Human Mt and Related Visual Cortical Areas Using Magnetic-Resonance-Imaging. Journal of Neuroscience, 1995. 15(4): p. 3215-3230. 21.
7. Marchand, W.R., et al., Putamen coactivation during motor task execution. Neuroreport, 2008. 19(9): p. 957-60.
8. Euston, D.R., et al., The role of medial prefrontal cortex in memory and decision making. Neuron, 2012. 76(6): p. 1057-70.
9. Goldberg, I.I., et al., When the brain loses its self: Prefrontal inactivation during sensorimotor processing. Neuron, 2006. 50(2): p. 329-339.
10. Philiastides, M.G., et al., EEG-informed fMRI reveals spatiotemporal characteristics of perceptual decision making. Journal of Neuroscience, 2007. 27(48): p. 13082-13091.
11. Ryu, J.Kim, A.Ali, W.Kim & S.J. Radlo (2015) Changes in baseball batters’ brain activity with increased pitch choice. Journal of Integrative Neuroscience, Vol. 14, No. 3369–381.

當一個人自昏迷狀態中醒來時，可能會出現幾種不同的臨床現象。若此人變成植物人並保有反射動作，就可以自行呼吸、睜開眼睛，但是對周遭的環境沒有意識。相反的，若此人處在「最低程度意識」狀態，有時會出現短暫的意識徵兆，例如儘管他無法持續交談，但是可以對親人微笑，其預後狀況較為良好，可以進行特殊照料以協助其復原。不過，這兩種狀態通常很難區分，誤診機率為 40%。為了能夠區分之，一個國際團隊開發了一項結合穿顱腦部刺激與腦電圖的新技術。

這項技術與目前使用的「意識測試」方法非常不同。巴黎硝石醫院（hôpital de la Pitié-Salpêtrière）的神經學家 Lionel Naccache 表示，「實際上，大多數的測試都是要求病人用大腦進行需要意識的認知工作，例如想像在打網球。醫生觀察執行工作時的腦部訊號，就可以確認患者是否有意識。不過，我們很難解釋負面的結果，例如病人可能無法理解我們的措詞或者他正在睡覺等等。米蘭大學的 Marcello Massimini 與其同事共同設計的方式並不會受此限制」。

這個新方式不會刺激患者的溝通能力，其運作基準是根據腦丘與皮層之間的交互作用速度來判定是否有意識。這兩個部位都位於腦部深層。為了探測意識是否存在，研究員將磁線圈置於患者腦中，磁線圈會誘導電流刺激大腦，這種技術稱為「穿顱腦部刺激」。研究員同時以腦電圖來記錄患者的腦部活動。

狀態不同

為了證明該方式的有效性，研究團隊選了 12 名脫離昏迷狀態的患者，這些患者都可以透過徹底且重複的神經檢測來進行可靠的診斷。在這 12 名患者中，有 5 名已經被診斷為植物人、5 名處於最低程度意識狀態，其餘 2 名則屬於「閉鎖症候群」（locked-in syndrom），也就是說全身癱瘓，但是對周遭有意識。

一旦這些患者獲得診斷，神經學家就以新方式進行測試，並證實的確可以區分這些患者。與處於麻醉狀態者（也就是無意識狀態時）相較之下，刺激植物人會引起特定區域的腦部活動。相反的，刺激處於最低程度意識狀態者，會引發腦丘系統在有意識的狀態下才會出現的複雜活動。同樣的活動狀態也出現在 2 名閉鎖症候群的患者身上。

作者：駐法國代表處科技組
資料來源：Mieux détecter la conscience après un coma—法國《研究》雜誌（La Recherche）2012 年 3 月第 462 號期刊

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-07-02]