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噪音能讓大腦的效能更好?一片平靜不如來些雜訊 ──《偶然的科學》

PanSci_96
・2018/07/10 ・5253字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

惱人的噪音大有用處

製造震動

我們傾向把隨機的噪聲訊號當成不好的東西,但在許多系統中,無論是生物和技術,噪音其實都是個機會。勞拉.斯皮尼 (Laura Spinney) 認為,如果沒有噪音,你的大腦效能可能不及現在的一半。

噪音通常是一種討人厭的東西,任何曾在飛機航線下方生活過的人,或曾經嘗試聽遙遠調幅廣播電台的人,都知道這一點。但是對工程師而言,噪音的隨機波動可謂天賜。

噪音通常是一種討人厭的東西,任何曾在飛機航線下方生活過的人都能深刻理解。圖/pixabay

二次大戰期間,空勤人員必須計算飛機的任務路線和炸彈軌跡,結果發現他們用來測量的儀器在空中的表現,竟然比在地面上好。空軍工程師很快找出原因;原來當飛機在空中移動時,機身會在很寬的頻率範圍內振動,偶然間有些頻率與移動中儀器零件共鳴頻率一致,讓零件震動,因而能更順暢地移動。然而,工程師不知道哪些頻率很重要,所以開始在儀器中放入小的震動馬達,希望能藉此引發共鳴。這是高頻脈動最早的應用,或是說,是人們蓄意添加隨機噪音的例子。

如今我們發現,演化比我們更早就懂得利用這個道理,生物早就在利用隨機訊號的好處。在某些情況下,加入微小噪音可以強化生物體對於環境的感知。例如比起在靜止的水裡,小龍蝦在湍流中更能偵測到細微的魚鰭活動。事實證明,在添加了一小段雜訊後,人類更能分辨螢幕上的模糊影像。

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外部噪音增強大腦能力

在這些案例中,噪音源是在生物體外部,但卻引起一個有趣的問題:演化是否會將這種震動融入大腦之中?現在,有一群神經科學家宣稱,他們已發現神經迴路有「刻意製造噪音的設計」。如果這群人的說法正確,那麼震動可能是自然裡的共同特徵。噪音的操作定義是:一個頻率混亂的寬頻訊號。比方說,白噪音的嘶嘶聲,是由人耳可聽見的完整頻率,從最低到最高以相同量組成的。相較之下,有意義的非噪音訊號,則是把它們的能量都集中在相對較窄的頻譜上。

噪音能提高微弱訊號被偵測的可能性,這種現象稱為隨機共振(「隨機」單純表示隨機的模式)。隨機共振專門用於非線性系統,其中的輸出與輸入不成比例。神經元是非線性系統的一個好例子,只有當細胞膜上的電位達到臨界閥值時才會啟動;在這樣的系統中,不能達到閥值的微弱輸入,可藉由注入噪音而讓它升高到超過閥值的水準。

神經迴路有「刻意製造噪音的設計」。圖/pixibay

許多理論模型表示,隨機共振可改善神經元處理訊號的方式。此外,已有良好的實驗證據表示,在某些情況下,增加外部噪音可以增強大腦的能力。隨機共振解釋了,為什麼湍流的水,有助於小龍蝦的感覺毛細胞偵測遠距離的魚鰭活動,以及為什麼噪音有助於人的肉眼看出模糊的圖像。外部噪音已被用來增強人類的表現,例如用人工耳蝸植入器,幫助人們聽見微弱的聲音,以及使用震動鞋墊減少中風患者的身體晃動。

大腦會自己產生噪音?果蠅的嗅覺系統研究

然而在很長一段時間裡,沒有任何證據顯示大腦會自己產生內部噪聲,以利用隨機共振的好處。然後,牛津大學的神經科學家格羅.米森伯克 (Gero Miesenböck) 出現了。米森伯克認為,果蠅有一個大腦迴路是嗅覺系統的一部分,專門用於產生噪音以增強大腦功能。他的發現對人類大腦很有意義,因為果蠅嗅覺系統的基本結構,不僅在所有昆蟲都很常見,在脊椎動物來說也是如此,包括人類在內。

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為此,米森伯克並沒有馬上去找噪音,而是想解決一個已困擾嗅覺系統研究人員多年的謎團。

科學家利用果蠅研究大腦製造噪音之謎。圖/pixibay

果蠅的嗅覺系統是個巨大的神經迴路,從果蠅的觸角開始,大約有一千兩百個嗅覺受體神經元 (ORN) ,每個嗅覺受體神經元都攜帶單一種類的氣味受體分子;這裡大約有六十種不同的受體分子,因此約有六十種不同類型的受體神經元。

從觸角開始,特定氣味的受體神經元聚集在一個被稱為嗅神經球的節點上,與被稱為投射神經元的細胞進行突觸連接。每個嗅神經球只從唯一一種受體神經接收輸入訊號,所以過去很長的一段時間內,神經科學家假設每個投射神經元只會對單一氣味起反應。

但是,幾年前神經科學家發現情況並非如此,來自各個投射神經元的電子紀錄表示,它們有時也會回應並非由其受體神經元所取得的氣味。

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然而,它們是怎麼做到這一點的?畢竟,每個嗅神經球都只從一種類型的受體神經元接收訊號。幾年前,米森伯克和他同事尚玉華 (Yuhua Shang) 在耶魯大學醫學院,致力於設法解決這個難題。

噪音讓神經更敏銳

他們使用一隻突變的蒼蠅,這隻蒼蠅所有連接到特定嗅神經球的受體神經元都不在了。於是,他們尋找其他可以連結到這隻蒼蠅之投射神經元的方式,結果發現一個之前沒人知道的「中間神經元」網絡,這網絡能將嗅神經球彼此連接,並在嗅神經球之間傳遞訊息。每當氣味出現時,這些「興奮性局部神經元」就會為投射神經元提供某種擴散而刺激性的輸入。

這個現象解決了人們眼前的問題,卻產生另一個問題:為什麼在系統中添加一些東西,便會失去氣味受體與投射神經元之間精確的一對一對應關係?「這似乎違反直覺,」米森伯克說,「為什麼要把清脆且鮮明的輸入訊號模糊化,把它弄得更吵雜?」他提出的假設是,噪音之所以會出現是有原因的。也許興奮性局部神經元刻意將噪音注入系統,如此便能利用隨機共振,讓微弱的氣味更容易被發現。

神經元會刻意將噪音注入系統。圖/pixibay

這些說法讓後續發生在感應輸入訊號上的現象變得合理起來。投射神經元將訊號發送到其他被稱為「肯揚恩細胞」 (Kenyon cell) 的神經元,這些神經元位於被稱為蕈狀體的結構上,這結構與蒼蠅大腦學習與記憶的能力有關。每個肯揚恩細胞都接收許多來自投射神經元的輸入,但它們有極高的反應閥值,並且只在大量神經元同時發射時才會啟動。和其他氣體相比,這種投射神經元更容易對自己的對應氣體起反應,而每一個肯揚恩細胞只會針對單一氣體啟動,所以系統會重新取得特異性。

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米森伯克的團隊還讀到1983年由德國馬克斯普朗克研究所神經生物學院的亞歷山大.鮑爾斯 (Alexander Borst) 所寫的文章,文章描述了一種連接嗅神經球的抑制性局部神經元網絡。米森伯克認為,這些神經元可能會對那些興奮性局部神經元產生反效果,從而阻礙了受體神經元的強烈訊號。

果蠅肯揚恩細胞研究的重要性

那麼,為什麼要多此一舉去強化微弱的訊號,而弱化強烈的訊號呢?米森伯克認為,這種狀況之所以會出現,是為了消除極端的氣體濃度。「若直接把一朵花放在鼻子下面,你必須要在香味很淡及花朵盛開時,都能聞到花香味,並且認得出那是一朵玫瑰花,」他說,「必須有個機制能根據氣味濃度來消除變異,我們認為這正是中間層在做的事情。」

不論濃或淡,我們都能辨認出玫瑰花的香氣。圖/pixibay

米森伯克的團隊仍在想辦法證明「刻意製造噪音的設計」之存在,為此而付出努力。藉由改變局部神經元,他們希望知道如何改變噪音量。米森伯克預測,在完全靜音的環境下,微弱的氣體就不太可能觸發肯揚恩細胞;另一個預測則是,果蠅對於微弱氣味的反應,將變得不那麼敏感。關於這點,研究人員可以透過觀察牠們如何避免不好的氣味,來進行測試。

然而這種做法很麻煩,其中部分原因在於,研究人員不知道果蠅腦中有多少局部神經元。如果他們想看到預設的結果,就必須對果蠅進行大幅改造。

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如果他們成功了,他們希望能在哺乳類動物大腦中看到類似的事情。但是,牛津大學的托馬斯.克勞斯伯格 (Thomas Klausberger) 認為,要在哺乳動物大腦中,發現類似果蠅局部神經元製造噪音的細胞,將是一個巨大的挑戰。克勞斯伯格已在老鼠的海馬體中,發現了新型的中間神經元,這種結構之所以會被拿來和昆蟲的蕈狀體相比,是因為它在學習和記憶上扮演的作用。他指出,單單海馬體的一個區域,就包含了至少二十一種不同類型的中間神經元。

適度的噪音有利動物行為

1993年,聖路易斯的密蘇里大學生物物理學家弗蘭克.莫斯 (Frank Moss) 做了小龍蝦研究。長期以來,莫斯一直懷疑動物會利用隨機共振,藉此提高牠們生殖的成功率,而米森伯克的發現也讓他留下深刻的印象。

莫斯的一項研究首次證明了外部施加的噪音,能透過隨機共振發揮作用。他用匙吻鱘做實驗,這種魚會利用鼻子裡的電感應器偵測浮游生物(牠們的自然獵物)發出的微弱電子訊號,以此尋找食物。莫斯把一隻匙吻鱘放入一個含有浮游生物的水箱裡,並附上兩個會以隨機變化的電場形式產生噪音的電極。當他測量噪音的影響時,發現有個中間振幅可讓魚獵食的成功率顯著增加。

匙吻鱘長長的鼻子內部有電感應器。圖/wikipedia

當噪音的水準是中等的時候,鱘魚會出現最佳表現,這是隨機共振的特徵之一:噪音太小,訊號沒有達到閥值;噪音太多的話,訊號又會被噪音淹沒。因此,噪音和益處之間的關係,像是一個顛倒的 U 形。

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莫斯後來將注意力轉移到被稱為水蚤或魚蝨的小型水生甲殼類動物身上,牠們為生物體內會產生的隨機共振提供了另一個證據。

水蚤有種覓食特性。牠們在尋找食物時,會依循一系列跳躍、暫停、轉角和再跳的動作行動。用肉眼來看,轉角的變化看起來很隨機。

但莫斯不這麼認為。他和他同事拍攝了五個不同種類的水蚤,在淺水池裡找尋食物的影片,並測量了數百個轉角角度。當他們在繪製這些角度的頻率分布圖時,發現這些轉角並非全都是隨機的,因為有些轉角比其他角度更頻繁出現。這些轉角的整體分布,可用被稱為「噪音強度」的參數進行數學描述,這是我們測量噪音的隨機程度方法。

接著,他們使用不同的噪音強度,在電腦上模擬水蚤的覓食活動。結果發現,最成功的覓食策略,是利用他們在真正水蚤實驗中測量到的噪音強度水準。根據經典的倒 U 型隨機共振,較低或較高的噪音強度會降低覓食的成功率。雖然沒有人知道,水蚤究竟如何知道牠們該如何分配轉角,但莫斯的團隊認為,這就是隨機共振的一個實例,而這種隨機共振一定是在水蚤體內產生的,也許是在大腦之中。他認為,最佳的噪音強度必須是天擇的產物,因為採用這種強度的水蚤會發現更多食物,從而最大化其適應能力。

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大腦製造的噪音真的是噪音嗎?

然而,生物系統會利用體內產生的噪音,這樣的想法仍然有問題。其中一個大問題是,果蠅的局部神經元所製造的噪音,是真正的噪音嗎?南加州大學洛杉磯分校的電氣工程師巴特.柯斯可 (Bart Kosko) ,是2006年出版的《噪音》一書作者,他說他不相信是這樣的。

噪音有嚴格的數學定義;而在複雜的生物系統中,看起來像噪音的東西,往往被證明是從別處跑出來的訊號。柯斯可說:「我們要做的是把那種『噪音』源拿來,並說明它們具有噪音在統計上的痕跡。如果不是真正的噪音,那麼根據定義,就不會有隨機共鳴。」

紐約大學的神經科學家捷爾吉.布茲薩奇 (György Buzsáki) 更進一步認為,如果大腦中有某些東西可以讓微弱訊號增長到閥值,那東西不太可能是噪音。「製造噪音可是一件非常耗費成本的事,」他說,「一個好的系統,比如我們預設的大腦,可是負擔不起這個成本。」

製造噪音對大腦來說是一件非常耗費成本的事。圖/pixabay

布茲薩奇同意米森伯克的觀點,認為那可能是一種類似噪音的訊號,可以用來調節哺乳動物的大腦活動,但沒必要引起專門製造噪音的迴路;相反地,他點出腦部會產生的自發性神經活動 。

神經元有兩種類型的活動,分別是自發和誘發。自發性活動不需要外部刺激即可獨立發生,而誘發性活動則是對外部刺激所產生的反應。神經科學家對自發性活動很有興趣,因為它能讓人腦產生更高的心智活動。自發性活動可以在神經元網絡上傳播,而神經同步發射的暫態期約為每秒四十個尖波。有人認為,所謂的伽馬波就是一種結合不同認知過程的方法,藉此產生感知。

布茲薩奇說,微弱傳入的訊號可以搭在這些自發性的活動波上,藉此提升到閥值以上。這是一種提高微弱訊號的更省成本方法,因為自發性活動消耗的能量很少。

當然,這兩種可能性之間有個關鍵的相似處,就是兩者都是有一個訊號推動另一個訊號超過閥值。「它們的原理是一樣的,」米森伯克說。但是,對於瞭解大腦的基本運作,以及為了讓我們在未來可能利用隨機噪音和感官輔助器(例如視網膜植入物)的隨機共振現象來說,這些細節很重要。

我們必須多等待一些時間,才能瞭解天擇創造出的大腦,是否內建了一個隨機的噪音產生器,或是大腦只能借用其他神經訊號當作噪音。無論是哪種方式,果蠅的大腦似乎都不能在沒有任何震動之下運作,所以我們的大腦可能也在震動。

 

 

本文選自泛科學2018年7月選書《偶然的科學:好運、隨機及機率背後的秘密》,八旗文化。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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。

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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。

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 / 圖片來源:envato

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)。

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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)」/圖片來源:益福生醫

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。

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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。

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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。

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 / 圖片來源 : envato

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意外拍出的煙火:一個顯微鏡管理員,用果蠅腸道摘下競賽銀獎
顯微觀點_96
・2026/04/20 ・1798字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎:微觀煙火
2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品「微觀煙火」。攝影/温榮崑

2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品,如絢爛煙火綻開的影像,呈現的卻是共軛焦染色的果蠅腸道,透過多通道螢光標記出果蠅腸道細胞與組織的細緻分布。但這幅影像並不是刻意為之,拍攝者温榮崑表示,起初只是為了節省研究資源,在一張玻片上排列最多的樣本,卻意外拍攝出效果不錯的影像。

除了這屆獲得銀獎的作品,温榮崑也曾於2023年參賽,並獲得「優選」。當時,他將拍攝的海拉細胞命名為「James P. Sullivan」——怪獸電力公司裡的那隻「毛怪」蘇利文。不同屆的得獎作品,都展現出他饒富趣味的影像敘事。

無心插柳 拍出趣味作品

温榮崑現職為中央研究院生物化學研究所的研究助技師,為影像核心設施的管理者。這次參賽作品並非他的「研究主題」,而是他在「測試」儀器極限時無心插柳所拍攝出的作品。

「近期所上添購了新的共軛焦顯微鏡,所以來測試看看Z軸堆疊的成效以及動態拍攝究竟能有多快」,温榮崑表示為了能夠更了解機器的功能,因此他會自己製備或使用諮詢的樣本來測試在何不同條件下可以拍到的影像。

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腸道細胞排列成圓形
為了拍攝效率,將腸道細胞在玻片上排列成圓形。攝影/林任遠
温榮崑解釋微觀煙火的顏色漸層意義
温榮崑解釋「微觀煙火」的顏色漸層意義。攝影/林任遠

排列成環狀的果蠅腸道,除了是讓玻片中承載的樣本最大化,他表示也想看整段腸道不同區段之間的變化。至於影像中的顏色漸層,反映的是果蠅腸道內本身不同腸道細胞的功能分佈以及對氧化壓力(ROS)的不同反應。

這張影像同時標記了三種不同的螢光訊號:DAPI(藍色)標記所有腸道細胞的細胞核,GFP(綠色)表現於特定果蠅腸道幹細胞當中,Phospho-Histone H3(pH3,紅色)則用於觀察腸道幹細胞在氧化壓力下的分裂與增生。「這種漸層只有在把整條腸道拍下來時才看得出來。」

2023年優選作品:James P. Sullivan/温榮崑
2023年優選作品:James P. Sullivan/温榮崑

至於2023年的優選作品,温榮崑笑說,這也不是刻意為之,而是當時和影像分析同好討論到色盲友善(Colorblind-friendly)影像套色議題,便試著將不同的顏色套在海拉細胞的影像上。套到青色(Cyan)時覺得很像毛怪,便以此命名參賽。

把管理核心設施當作自己的研究

之所以親自拿樣本測試機器、和研究人員深入討論影像議題,來自於温榮崑對這份工作的理念。管理影像核心設施的温榮崑一開始並非「影像專門」或「光學」相關科系畢業,但一路從大學到研究生時期,他的研究一直都離不開生物影像,並在博士班期間一路以果蠅為主要模式生物進行研究。

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接下影像核心設施工作後,温榮崑用「經營者」的角度看待這份工作,刻意拉開各項設備的功能定位,透過明確區分解析度、速度、活細胞適用性等,讓研究人員可以使用最適合的儀器進行研究。

銀獎獎座
銀獎獎座。攝影/林任遠
温榮崑常親自測試機器
温榮崑常親自測試機器。攝影/林任遠
銀獎獎座
銀獎獎座。攝影/林任遠

近年,他也和中研院各研究所及台大醫學院等相關影像核心研究單位,共同建立影像分析社群EABIAS(東亞生物影像分析社群),積極與其他核心設施管理者交流經驗。

「這裡就是我的研究」,雖然最後沒有走上教職之路,温榮崑認為擔任研究技師反而可以接觸到各種不同面向的領域,做得更廣、更深,也能持續探索科學與美感交會之處。

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。
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