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蟑螂腳的神經律動!The Cockroach Beatbox

Scimage
・2012/03/24 ・495字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 453 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!


腦科學的研究進步神速,但是神經科學的實驗總是讓人覺得離生活遙遠,好像只有非常貴重的儀器還有非常複雜的樣品處理才有可能在實驗室量測到神經細胞的反應。這個演講做了一個很好好的展示,怎麼利用日常生活都看到的的生物,蟑螂,還有不難架設的裝置,來進行真正的神經科學研究。

首先抓起蟑螂(@_@)丟到冰水裡,蟑螂就會乖乖的不動休息了,然後剪下蟑螂的一隻腳。蟑螂的腳毛上有神經細細胞負責傳遞震動給蟑螂的腦,所以只要把腳用兩個大頭針固定住,接上訊號放大器,就可以看到蟑螂的腳是怎麼把神經訊號傳送出來。在很多噪聲中,偶爾會有比較大的神經訊號spike,因為腳毛細細胞是偵測震動,所以只要吹吹風就可以改變輸出spike的數目,蟑螂就是用spike的數目來偵測環境震動的強度。

當然蟑螂的腳也會在收到腦的電訊號時運動來逃跑,這時候可以把隨身聽的音源線接給蟑螂腳,就可以看到蟑螂腳隨著音樂抖動起舞。 當然這樣的實驗(如果想做的跟展示的人一樣) 還是需要一點點電子基礎來做簡單訊號放大跟擷取,不過其實也不真的困難,或許有心的教師或是同學可以在課堂上做出類似的展示也說不定 !

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「科學家也需要 Art!」持續破解果蠅大腦神經迴路的李奇鴻
研之有物│中央研究院_96
・2022/04/11 ・6084字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/歐宇甜、黃曉君、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

神經科學與視覺

我們怎麼「看到」顏色,「察覺」東西在動?大腦如何產生視覺?中央研究院「研之有物」專訪院內細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻,他是國際知名的神經科學家,過去長期在美國國家衛生院(National Institutes of Health)做研究,2018 年回到中研院貢獻自己所學。李奇鴻的實驗室主要是以果蠅視覺系統為模型,研究神經元如何在發育過程形成複雜的突觸連結,以及神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

李奇鴻是國際知名的神經科學家,研究神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。圖/研之有物

技術帶動神經科學研究

神經系統如何運作?這對以前的科學家來說是黑盒子。由於大腦發生錯誤或出問題時,會直接表現在外在行為上,早期科學家想了解人腦運作機制,只能透過腦部哪裡受傷壞掉或中風等,知道腦部的大概功能區域,但沒辦法進入細胞層次。

「在生物學的發展上,除了需要有智慧的思考,其他都要靠技術去推動。你可能想到一個有趣的題目,但也許要 30 年後,才出現足夠的技術來解決問題。」李奇鴻舉例,從光學顯微鏡、電子顯微鏡、電生理技術、分子生物學到結構生物學發展,每個都在細胞、分子、及系統層次開啟了新的世界。

隨著顯微技術與遺傳工程日益完備,果蠅成為現今熱門的腦科學研究對象。李奇鴻指出,「果蠅的生長速度快,相較老鼠要幾個月成熟,果蠅只要兩週。果蠅的大腦複雜程度介於人和單細胞生物中間,結構跟人高度相似,成果可應用在人身上。」

因此,近 10 幾年來是神經科學大起飛時代,科學家透過遺傳學方法控制果蠅的神經元活性、觀察行為,藉此了解哪些基因會影響大腦發育和運作,逐漸破解神經迴路的奧祕。

「我在選博士後研究時,想到底要做線蟲、老鼠、魚、果蠅或其他模式生物?最後才選果蠅。回想起來,近年剛好碰到果蠅相關技術蓬勃發展,選果蠅是很正確的決定!」李奇鴻笑道。

李奇鴻引用知名神經科學家 David Marr 的三層假說(tri‐level hypothesis),認為大腦運作有三個層次:

  1. Computation level(運算):神經系統在做的事,如分辨顏色、觀察東西移動、辨認物體是圓是方、是蘋果或橘子等。
  2. Algorithm level(程序):神經系統的操作方式、程序怎麼做。 
  3. Implementation level(實行):神經系統如何透過神經元、神經網路來達成這個程序。

李奇鴻表示,「過去多數神經科學家都在討論 computation,再探究 algorithm,卻沒辦法解決 implementation 。現在因為具備技術,科學家終於能找出 implementation,再回推上層問題,甚至發現 algorithm 跟原本想的不一樣。」

視網膜感知系統怎麼運算?

關於神經系統的操作方式(Algorithm level),也有因為技術進步而解決爭議的案例。李奇鴻舉例,以前神經科學家在研究視覺系統感受物體運動的機制,曾出現幾種理論,HR 理論認為神經訊號是用乘法,另一派 BL 理論認為是用減法,爭議了很久。

近年科學家發現,原來視網膜感知系統的運算機制是混合的,一共三種,稱為 HR-BL 混合視覺運動偵測器。過去兩派都只對了一半。

關於視網膜感知系統的運算機制,過去 HR 理論和 BL 理論都只猜對其中一種方向(打勾處)。資料來源/Current Biology

Hassenstein-Reichardt(HR)模型:從昆蟲行為研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,這個信號會被延遲(時間 τ),接著右邊的光感應神經元收到訊號,兩者的訊號會同時到達下游的神經細胞(X),訊號將會相乘,生成運動訊號。
  2. 當有非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,兩個訊號會在不同的時間到達,不會生成運動訊號。

Barlow-Levick(BL)模型:從兔子電生理研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,接著右邊的光感應神經元收到訊號,但它為抑制訊號且會被延遲(時間 τ),左邊的訊號會先到達下游的神經細胞,生成運動訊號。
  2. 當非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,左、右兩個光感應神經元的訊號會在相同時間到達,刺激訊號和抑制訊號互相抵銷,不會生成運動訊號。

持續分析果蠅大腦的神經迴路!

近代電腦的所有運算都能用 and、or、Xor 三個邏輯閘表達,科學家想知道,大腦裡有沒有類似但更高階的神經迴路運作方式?「從感官到行為比較容易觀察和操作,目前在視覺運動方面的神經迴路運作,我們知道的最多。」

李奇鴻近年在做昆蟲視覺與行為研究,發現昆蟲在感受顏色,如綠光和紫外光時,感光細胞的處理方式是先將紫外光跟綠光的強度做比較,把兩個光的強度相減,讓原本兩個訊號變成一個訊號,所謂的「顏色拮抗」。

「這種神經迴路能解析、比較兩個顏色強度的差異性,因為大部分在視覺上最重要的正是對比。拮抗運算模組能在一片訊號裡找出哪裡最強、其他較弱。其他感官機制也一樣,像觸摸物品時有凸出來的部分較重要,聽覺上要找出哪個聲音特別高等,讓最重要的訊號能凸顯出來。」李奇鴻補充道。

2021 年李奇鴻的團隊首次發現果蠅視覺系統堆疊了多套拮抗運算模組,以達成顏色及空間接受域雙拮抗的效果,成果發表在《Current Biology》。這樣的神經迴路可以比較相鄰的顏色,產生色彩區間對比感。「沒這樣的功能,我們就看不出紅配綠很悲劇了!」李奇鴻笑道。

科學家們正努力鑽研果蠅大腦的神經運算迴路,希望逐步整理出基本運算模組。或許有一天,看似複雜的大腦功能,都可能用基礎的迴路來破解!

李奇鴻實驗室所發現的顏色及空間接受域雙拮抗神經迴路。R1-R6 是吸收頻率範圍較廣的光接收器(輸出刺激訊號),R7 是吸收紫外光的光接收器(輸出抑制訊號),R8 是吸收綠光或藍光的光接收器(輸出刺激訊號)。從 R1-R8 接收光,輸出到神經細胞 Dm8 之後,會形成顏色拮抗效果。此外,相鄰的 Dm8 之間透過特殊的氯離子通道 GluClα 中介,會產生側向抑制作用(Lateral inhibition),形成空間拮抗效果。資料來源/Current Biology

老師是怎麼走上研究大腦神經科學這條路呢?

「我滿晚才走上科學研究的道路。我對電腦有興趣、喜歡寫程式,大學上中國醫藥學院醫學系,家裡也希望我當醫生。不過在實習時,我發現自己對治療病人沒興趣,反而對問題或疾病本身更有興趣。跟幾個老師談過之後,我決定不當醫生,跑去清華大學讀生命科學,後來就到中研院。」

因為有醫學背景,一開始比較想做能立刻解決問題的研究,像是用蛋白質跟毒素的綜合體來治療癌症。但後來了解,如果沒有深刻了解致病機制、沒有鑽進基礎科學研究,很難有突破。

後來去美國洛克斐勒大學攻讀博士,在洛克斐勒讀書期間,大家常互相交流,對我有很大的啟發。那時我在鑽研結構生物學,希望了解疾病真正的生理過程,曾解開愛滋病病毒跟人體信號傳遞有關的蛋白質結構。

博士畢業前,我接觸到神經科學,感到很有興趣,就去加州大學洛杉磯分校(UCLA)讀博士後,學神經科學裡的發育學,想了解大腦在發育過程是如何用不同分子在細胞間傳遞訊息。那時我待在很大的實驗室,老師不太管學生,要自己想辦法或跟旁邊的人學習,很多人素質都很高,學習環境很好。

之後我進入美國國家衛生院(National Institutes of Health,NIH)開始開實驗室帶自己的團隊,待了 16 年,算是真正進入神經科學領域,直到現在依然在做相關研究。

每個人的人生選擇,都被以前的經歷主導,如果沒有醫學背景,恐怕我不會去學結構生物學或走入大腦神經科學領域。

老師在美國的研究很順利,那是什麼契機才決定回臺灣呢?回來後是否有不適應之處呢?

「我 26 歲出國,在美國也待 26 年,幾乎完全融入美國生活,實驗室運作得蠻好,連太太也是美國人。但在美國很多年後,內心出現一個很深感覺:我在臺灣待過這麼久,臺灣是我進入科學的起點,也許該回來教教臺灣的子弟。」

剛開始有些想法,曾受邀回臺演講幾次,但沒有下決心。後來出現一個重要轉捩點。中研院分子生物研究所 30 週年慶時邀我回來演講,那時有機會跟歷任所長聊天,這些所長中許多是我過去在中研院碰過的老師。聊了後感觸很深,發現每任所長都要面對分生所的成長或各種問題,每個所長都有獨到的見解和重要貢獻。

我看到分生所運作得很好,覺得非常感動, 內心想:也許我回來能效法他們,也許對中研院細胞與個體生物學研究所的發展能有一點點實質貢獻。

雖然如果待在美國國家衛生院,我也會有這樣一個機會,但還是想帶自己的子弟,把力氣用在自家子弟身上,讓自己的國家和組織進步。我想將在美國國家衛生院學到的經驗,像哪些組織可以運作、哪些不行,嘗試帶回臺灣。

我很清楚可能碰到的問題,像科學研究會受影響,要重新花幾年時間建立實驗室,但那次契機讓我徹底下定信心。我曾跟廖俊智院長開玩笑,就算不給我錢,我大概也會回來。因為真的覺得這是一個很好的機會,自己能為中研院、為臺灣做些事。畢竟中研院也一直都像我的家!

不過,畢竟過去在美國實驗室和家裡都是講英文,只有打電話給媽媽會說臺灣話,因此, 2018 年剛回臺灣時,國語講得不太流利,臺灣話反而比較流利。

老師覺得美國的研究環境有哪些優點?希望將什麼樣的新觀念、新風氣帶進臺灣呢?

「國外最大特點是學術交流很頻繁,雖然國內也蠻頻繁,但他們交流層次更深入。也就是說,我跟參與的老師交流之後,常能改變想法、做事方法或方向,且是正向的改變。」

國外老師受邀演講,會很積極在幾小時內一直談,在一天中完全沉浸其中,不單講出自己在做的東西,也要求聽眾給予批評或建議等,彼此有深度交流,我每次參加都覺得收穫很多並產生合作可能性。

國內我的經驗是,演講結束後比較缺乏機會跟其他老師深度溝通,領完演講費就屁股拍拍坐高鐵回來。這可能是國內的慣有模式,我覺得需要改變。現在所內我也要求大家,既然花錢請老師來,一定要做深度交流,請對方給予建議。

重要的不是形式或邀到諾貝爾獎得主之類,而是在演講結束後、這個人走出我的辦公室、這些人離開後,對我做的事或做事方法,是不是有什麼實質的改變?在其他科學家交談中是否能得到啟發,改變自己的思考或做實驗方式?或聽聽別人告訴你,你還有哪些沒想到的地方?

分享,也是一種很重要的技術,在交流過程中,當我們可以把一件事講清楚,自己也會茅塞頓開,知道問題在哪。

現在所裡的計畫是把老師分成各種不同興趣小組,組內做交流或有跨組活動。其餘像寫計劃、申請經費、經營實驗室或撰寫並發表文章,這些是基本技術問題。

做任何工作,一個是基本的核心技術,如果沒有「技」就無法生存;另一個是 「藝」(Art) , 可以驅動你一直做下去。訓練人才時,除了培養技術,還要訓練 Art。

老師提到工作上需要 Art,科學家的 Art 是指哪些部分?可以說明得更詳細嗎?

「我想在科學裡面,Art 有很多面向。例如,你怎麼選擇一個問題,怎麼找切入點,如何把一個大問題拆成幾個可攻破的部分,一步步去解開,這是一種 Art。尤其在選擇問題和切入點上,要有獨特的見解或洞燭先機才能成功。」

科學家必須創造有用的知識。什麼叫有用的知識呢?就是聽到學到後,會改變你想事情的方向或做事的方法。很多東西都可以研究,只要科學方法夠嚴謹,都可以得到一些知識。但到底要選擇什麼題目呢?什麼叫做有趣的問題呢?評斷這些就是科學的 Art 。

如果說在人類前面是一個黑暗深淵,知識像光照亮我們前面的路,科學家就像站在最前面,要知道如何踏出那一步?怎麼踏出去?這是 Art。

當科學家看到一個問題、問題成形後,最重要的關鍵是如何選擇一個核心問題去解決。就像玩拼圖時,要放下去最核心、最重要的那塊拼圖。

我回到臺灣後,覺得這裡的研究環境很好,儀器不輸人家,老師很優秀。但可能我們多半只是關注自己的研究,沒有花時間認真去思考,最重要的一塊拼圖在哪裡?當我們有更深度的交流,才能找到最核心的那一塊,做出最重要的貢獻。

李奇鴻說,科學家必須創造有用的知識,也就是會改變做事和想事情方法的知識。至於要選擇創造什麼知識,需要用 Art 來判斷。圖/研之有物

老師在國外的實驗室時是如何帶領研究團隊呢?對年輕的科學家有什麼樣的期待嗎?

「在碩士、博士訓練中最重要的關鍵,是從「讀」科學變成真正「做」科學。我們攤開一本教科書,看到裡面講這個、那個,只是讀人家的科學。即使去念了原始文章,仍然是看著科學怎麼被別人做出來而已。」

自己真正做研究才知道,教科書上每一頁、每一句,背後都可能有數千篇文章支持,那時才知道自己很渺小,懂得謙虛,了解自己一生能做的有限。

所以,每次要跨出一小步,要想該怎麼跨最有效率、得到最大效果。我認為,在碩士班或博士班,最重要的就是了解這種感覺。

有些學生可能覺得,反正我很渺小,世界這麼大,即使做一輩子,即使最成功的科學家,也不過是得到教科書上面的一句話而已,我怎麼做都沒關係啊。 但我們必須帶領學生了解,這個計畫不是老師叫你做才做,而是讓學生覺得這個計畫是自己的,有前進和發展的空間,就像自己的小孩,必須負責。

以前在碩、博士班,剛開始學會技術、實驗做出結果,或能像人家一樣發表文章,會很高興,但這很短暫,真正的轉捩點是我知道有什麼事,是全世界任何人都不知道的那種驕傲,才是真的能支持很久的。我還記得在某一天做到早上五點,從實驗室走出來,知道有個東西全世界只有我知道的喜悅!

當學生曾感受這種發現真實的快樂,你不用規定他早上幾點來、晚上幾點走,他自己就有動機做。

當一個人想這東西應該是怎樣,想辦法做實驗證明出來時,那真的是一種快樂。我想,這是任何其他行業都沒辦法比較的!

學生是要培養成未來的科學家、獨當一面,應該讓他自己走。即使在你看得到的地方,也要讓他自己走出來,而且,他自己想到的,比你告訴他來的有用。

其實,我當老師最興奮時,是學生告訴我那些我不知道的事,會覺得很喜悅,學生想到我沒想到的東西,表示他們有進步,比我還厲害,這很棒!

延伸閱讀

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研之有物│中央研究院_96
248 篇文章 ・ 2060 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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來認識「躺著自轉」的天王星!——太陽系內唯二的冰巨行星
ntucase_96
・2021/10/31 ・2771字 ・閱讀時間約 5 分鐘

天王星是非常有趣的行星。希臘羅馬神話中,它是土星的爸爸、木星的爺爺、火星的曾祖父。比起其他行星是「站著自轉」,天王星是「躺著自轉」。太陽系 8 顆行星當中大多都觀測到了 X 光的訊號。唯獨兩顆冰巨行星:天王星、海王星沒有。終於,研究團隊從 2002 年以及 2017 年的資料中找到了天王星上 X 光訊號的證據。本文帶大家認識一些天文星有趣的歷史、文化、以及認識這一篇 X 光的研究成果。

天王星的發現與特色

天王星的視星等大約為 5.5,是一顆非常暗的星,幾乎接近人眼的極限。平時在一般都市環境中非常不容易直接用肉眼看到,只有在晴朗、沒光害的夜空中比較有機會。

航海家 2 號於 1986 年拍攝的天王星。圖/維基百科

正式的發現、命名者是英國的威廉.赫雪爾(William Herschel)。一開始猜測是個彗星,後來才確認是個行星。英國國王喬治三世還因此以一年 200 英鎊的薪水聘僱他,依照零售物價指數(Retail Prices Index)來推算的話,相當於現今一年一百萬台幣的薪水 [2]

這筆薪資顯然相當優渥,本來赫雪爾想要將這顆星命名為「喬治之星」(Georgium Sidus)。不過當時除了喬治三世和赫雪爾以外,當時喜歡這個點子的人並不多。畢竟其他的行星都用希臘神話來命名,突然冒出一顆用英國國王命名的行星怎麼樣看都不合適。

最後由柏林天文學家約翰.波德(Johann Bode)的建議定案為「Uranus」,這個字的詞源是希臘神話中的天空之神「烏拉諾斯」。幾乎每個希臘神話中的腳色都能在羅馬神話中找到對應。「烏拉諾斯」對應到的就是「凱路斯(Caelus)」,是「薩圖恩(Saturn,即土星)」的爸爸;是「朱比特(Jupitar,即木星)」的祖父;更是「馬爾斯(Mars即火星)」的曾祖父。

因此在希臘羅馬神話當中,天王星、土星、木星、火星可是祖孫四代呢。

恆星一般在天空中的相對位置幾乎是不變的,要花千年、甚至萬年才有可能看到一些變化。離太陽愈遠的行星,在天上的相對位置變化愈慢。木星要回到原來的位置要花 12 年、土星更要花上 30 年,天王星更慢,要 84 年!因為天王星在天上的相對位置實在變化得太慢了,以至於早期先民即使看到了天王星,也認為它是一顆恆星。

航海家 2 號(Voyager 2)即將跟隨它的前輩航海家 1 號(Voyager 1)離開太陽圈(Heliosphere)了。圖/NASA[3]

與其它的行星比起來,天王星離地球非常遙遠。唯一抵達天王星過的太空探測器是 1977 年發射,飛了將近 9 年後才抵達的航海家 2 號(Voyager 2)。這台探測器從地球出發,觀測了木星、土星、天王星、海王星之後,繼續一路向外飛,現在幾乎已經離開了太陽系。

上面大多數的儀器都已經缺少電力、無法運作,只保留了最基本的功能。去年底對它發射訊號時,在將近 35 小時之後還是收到了回應。

天王星在太陽系的八顆行星裡面,有著一個非常奇特的性質:「躺著自轉」。其他七顆行星的自轉與公轉差不多是在同一個平面上,以地球為例子,地球的自轉軸與公轉軸只差了 23.5° 左右。

但是天王星的自轉軸與公轉軸相差了 98°。如果把公轉面想像成水平面的話,地球的自轉就像是一個旋轉的陀螺,而天王星則是電風扇的扇葉。

太陽系各顆行星的自轉方向及轉軸,大多數的行星都像陀螺一樣、自轉平面與公轉一致,但是天王星卻是躺著的。圖/NASA[4]

天王星上的 X 光訊號!

太陽系的行星成員當中,除了地球以外,水星、金星、火星、木星、土星都偵測到過 X 光的訊號,甚至連彗星、以及矮行星冥王星都偵測到過 X 光。在最近這篇研究出來之前,行星當中就只剩下兩顆冰巨行星:天王星、海王星還沒有量測到 X 光。

最近,研究團隊檢視了「錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)」的觀測數據,研究團隊量測到了天王星上的 X 光,研究結果發表在期刊《地球物理研究期刊:太空物理學(JGR: Space Physics)》當中 [5]

圖/NASA [1]

錢卓拉 X 射線天文台是當代最重要的 X 射線望遠鏡。自 1999 年發射升空服役到現在,累積了非常多的觀測資料,有許許多多 X 光的重要觀測貢獻都來自於這台望遠鏡。然而宇宙間能觀測的天體實在太多啦,對天王星的觀測其實非常稀少。截至 2020 年 6 月,只有三次對天王星的觀測:2002 年 1 次、2017 年 2 次。到了這一兩年研究團隊才從這些資料中找到了天王星上 X 光的訊號。

錢卓拉 X 射線天文台(Chandra X-ray Observatory)。圖/NASA [1]

X 光是電磁波頻譜上高頻率、高能量的波段。要產生 X 光,一般來說要有特殊的環境才可以。天王星上 X 光最主要的來源是對太陽光的散射。太陽光本身是一個很強的 X 光光源,即便天王星離太陽這麼遠,太陽所發出來的X光到了天王星以後,被天王星的氣體分子散射開。這個機制是天文學家已知的,過去在木星、土星上面看到的 X 光也都是這一類。

特別的事情是,天文學家藉由木星、土星的數據推算了一個天王星上可能量測到的 X 光強度。但研究量測後卻發現 X 光的強度比推算的數值還要更強。這有幾個可能,一個是天王星對太陽 X 光散射的效果比木星、土星更好。另外一個可能性就是天王星有額外的 X 光產生機制。

目前推論與天王星周遭的帶電粒子有關。比方說,天王星和土星一樣,周圍有一圈環。當帶電粒子撞擊到天王星環的時候,就有機會放出 X 光。另外一個可能性是「極光」,當帶電粒子因為磁場等效應掉進大氣層、與大氣分子相撞後,也有機會放出 X 光。這個現象在木星上也看到過。不過到底是哪個機制就仰賴未來更多的觀測了。

天王星在太陽系是很重要的存在,它是離我們最近的冰超巨星、而且還躺著自轉,讓我們有機會以不同的角度觀測行星。太陽系的冰超巨星只有兩顆,由於距離遙遠,都很不容易觀測。現在好不容易在天文星上看到了 X 光的影像,使我們得以更全面地了解冰超巨星的性質。對太陽系內、太陽系外的行星都能有更全面的理解。

參考資料:

  1. NASA / First X-rays from Uranus Discovered
  2. Measuring Worth
  3. NASA Planetary Photojournal / NASA Voyager 2 Could Be Nearing Interstellar Space
  4. WASP Planets
  5. R. Dunn et al., A Low Signal Detection of X-Rays From Uranus, Journal of Geophysical Research,  (2021)
  6. SciTechDaily / First Detection of X-rays From Uranus
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ntucase_96
30 篇文章 ・ 598 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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腦科學的研究進步神速,但是神經科學的實驗總是讓人覺得離生活遙遠,好像只有非常貴重的儀器還有非常複雜的樣品處理才有可能在實驗室量測到神經細胞的反應。這個演講做了一個很好好的展示,怎麼利用日常生活都看到的的生物,蟑螂,還有不難架設的裝置,來進行真正的神經科學研究。

首先抓起蟑螂(@_@)丟到冰水裡,蟑螂就會乖乖的不動休息了,然後剪下蟑螂的一隻腳。蟑螂的腳毛上有神經細細胞負責傳遞震動給蟑螂的腦,所以只要把腳用兩個大頭針固定住,接上訊號放大器,就可以看到蟑螂的腳是怎麼把神經訊號傳送出來。在很多噪聲中,偶爾會有比較大的神經訊號spike,因為腳毛細細胞是偵測震動,所以只要吹吹風就可以改變輸出spike的數目,蟑螂就是用spike的數目來偵測環境震動的強度。

當然蟑螂的腳也會在收到腦的電訊號時運動來逃跑,這時候可以把隨身聽的音源線接給蟑螂腳,就可以看到蟑螂腳隨著音樂抖動起舞。 當然這樣的實驗(如果想做的跟展示的人一樣) 還是需要一點點電子基礎來做簡單訊號放大跟擷取,不過其實也不真的困難,或許有心的教師或是同學可以在課堂上做出類似的展示也說不定 !

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【2021 年搞笑諾貝爾獎】10 項「廢到笑」獲獎研究出爐:性行為可以治鼻塞?揭露人貓之間的喵電感應?
PanSci_96
・2021/09/10 ・4903字 ・閱讀時間約 10 分鐘

  • 文/y 編、A 編、C 編
  • 圖/U 編

你今天連結了嗎?萬眾矚目、要說泛科學只為了今天開張也不為過(太誇張),2021 搞笑諾貝爾獎堂堂登場了!

今年的主題是「人與人的連結」,許多獎項也與「連結」這一概念相吻合。今年的亮點還有台北捷運站入鏡,以及台灣科學家也是搞笑諾貝爾獎兩屆得主楊佩良的 24/7!

就讓我們一起來看看今年的快訊,也一起來期待接下來的深入報導!

泛科專題【不認真就輸了!搞笑諾貝爾獎】,給你歷屆搞笑諾貝爾獎介紹!

【生物獎】分析多種貓語的意義,和貓與人之間的溝通

貓奴們,你各位怎麼讓這個獎被別人拿了?生物學獎得主 Susanne Schötz 因為研究人貓語言交流而獲獎。

y編覺得這不只搞笑諾貝爾獎,這麼對全人類有貢獻、促進人貓種族和諧的研究,拿個諾貝爾和平獎都不過份啊。

Susanne 藉由一系列的語音研究,分析了貓咪的叫聲以及人與貓之間的溝通方式。

除了在 2019年的研究中將貓咪的叫聲分為 19 種,他還錄了 40 隻貓 780 段「貓語」,發現貓咪在心情好的時候傾向發出頻率上揚的叫聲,而在緊張、情緒低落的時候則是下降的,並以此建構模型。

透過模型,就可以知道你在擼貓時他是真的舒服還是叫你滾蛋、你回家時到底是歡迎你還是在抱怨,諸如此類。

據說 Susanne 還在研究貓貓的方言,有科學家如此孜孜不倦,人貓和平到來的那一天恐怕真的不遠了(?。

生物學獎得主 Susanne Schötz(右下)因為研究人貓語言交流而獲獎。圖/Improbable Research

研究原文:A Comparative Acoustic Analysis of Purring in Four Cats

詳細介紹請看: 【2021 年搞笑諾貝爾:生物獎】鏟屎官們聽令!貓咪如何透過 20 種叫聲支配人類?

【物理獎】建立物理模型,說明行人為什麼不容易相撞

這次的物理獎,在研究團隊中發現臺灣學者啦(驚)!他是任職於加州大學數學與統計系的 Chung-min Lee 教授。而這次獲獎的原因,是建立了物理模型說明行人為什麼不容易相撞。

大家不陌生的忠孝新生站,左上為 Chung-min Lee 教授。圖/《APS physics

研究人員歷經了六個月的數據收集後,建立了數百萬條移動軌跡,以此數據作為基礎發展出模型,並發現這個模型具有「朗之萬公式」的特徵

換句話說,行人的行走行為,與花粉在水中亂飄的「布朗運動」,可能有點類似。(A 編:物理真的好難Q)

研究結果也說明行人的周圍,有類似《獵人》中的「圓」,如果兩人的橫向距離小於 1.4 公尺時,行人會感知到對方並改變行走路徑

研究原文:Physics-based modeling and data representation of pairwise interactions among pedestrians

詳細介紹請看:【2021 年搞笑諾貝爾:物理獎】AT 力場全開!如何在擁擠的車站通道中不被別人撞到?

【動力學獎】走路看手機,行人會更容易相撞

物理學獎才解釋完為什麼不容易相撞,下一個頒發的動力學獎立刻打臉,說明為什麼行人會容易相撞!

物理學獎表示:說好的尊重呢?

研究者邀請了 54 名大學生,並將他們平均分配在走道兩端,以他們自由行走的軌跡作為對照組(軌跡如下圖 Baseline 所示),並測試滑手機的人在隊伍的不同位置,會對行走軌跡造成什麼影響。

如果是領頭羊開始滑手機,隊伍軌跡不只混亂,整體的移動速度也會變慢,但如果是隊伍最後的人滑手機,則沒有顯著影響。

研究中,人群自由行走的軌跡對照圖。圖/《Science
圖/Improbable Research

研究原文:Mutual Anticipation Can Contribute to Self-Organization in Human Crowds

詳細介紹請看:【2021 年搞笑諾貝爾:動力學獎】實驗證實:邊走邊當低頭族,會更容易和行人相撞喔!

【化學獎】電影院觀眾釋放的氣味,會隨情緒改變

故事是這樣開始的,研究團隊在聖誕假期不想放假,跑到電影院測量空氣。(A 編:什麼鬼)

測量結果發現當觀眾因電影特定橋段造成害怕、緊張、喜悅…等情緒時,呼吸或皮膚(體味)代謝出的物質會有所不同。

這表示以後只要做類似酒測的檢定,就能知道你剛剛看了什麼。(誤)

研究原文:“Proof of Concept Study: Testing Human Volatile Organic Compounds as Tools for Age Classification of Films

【生態獎】分析多國廢棄口香糖上的菌菌

看到亂吐的口香糖,你會覺得哪裡怪 ㄍㄞ ㄋㄧㄡ 的嗎?(y 編會,而且很會!)

這次的搞笑諾貝爾生態學獎的研究,支持了你的這種心理,因為這些廢棄的口香糖裡不只有很多菌菌,它們還會在幾週的時間從口腔微生物群、轉換為環境微生物群。

研究團隊的樣本來自西班牙、法國、希臘、土耳其和新加坡(為什麼新加坡可以找到樣本!),這看似有點不衛生又搞笑的研究其實可以很好的幫助法醫學、傳染病控制等領域。

研究團隊的樣本來自西班牙、法國、希臘、土耳其和新加坡。圖/Improbable Research

研究原文:The Wasted Chewing Gum Bacteriome

詳細介紹請看: 【2021 年搞笑諾貝爾:生態學獎】口香糖渣裡的微生物小宇宙!

【經濟學獎】體重或許可以成為貪腐的指標?

這聽起來很直覺的指標,要驗證起來需要轉幾個彎。因為研究者沒辦法拿到政治家實際的健康資料,因此他收集了 15 個後蘇聯國家(post-Soviet countries)299 張內閣首長的照片,並透過機器學習,推算他們的 BMI 值。

研究發現,這些政治家的 BMI 值的中位數,和該國的貪腐程度相關,研究結果如下圖,可以看到波羅的海三小國——拉脫維亞、愛沙尼亞和立陶宛的體重中位數是相對來說最低的。

波羅的海三小國——拉脫維亞、愛沙尼亞和立陶宛的體重中位數是相對來說最低的。圖/《Wiley Online Library

不過該研究也有人質疑這個假設不科學,甚至會有加強偏見的狀況。總之,要理解這個研究是在其特殊性,並還存在諸多限制,他並不適合當作你之後投票時的重要參考指標,還是請自己好好做功課吧!

圖/Improbable Research

研究原文:Obesity of Politicians and Corruption in Post‐Soviet Countries

【醫學獎】鼻子與生殖器之間的連結

1897 年一位在柏林職業的耳鼻喉科醫師  Wilhelm Fliess(他還是佛洛伊德的好朋友),發表了「鼻反射神經」的理論,假設了鼻子與生殖器之間存在著必然的生理連結。

既然有假設,那有研究者想深入了解了解,也是很合理!

於是百年後,有研究團隊找了 18 組伴侶,要求他們在性行為時的五個特定時間點進行「鼻功能」的自評,分別是:性行為前、性高潮後立刻、性高潮後 30 分鐘、一小時及三小時。為了科學,要在性高潮後想著要填量表也是相當浪漫的事情呢(手比愛心)。

研究發現,有鼻塞情況的人,在性行為之後,鼻塞的狀況確實有獲得改善

很期待看到這裡的有志之士可以試試看並與我們分享有沒有效,也為要與正在鼻塞的伴侶做愛的夥伴致上無限的敬意。

圖/Improbable Research

研究原文:Can Sex Improve Nasal Function? — An Exploration of the Link Between Sex and Nasal Function

詳細介紹請看: 【2021 年搞笑諾貝爾:醫學獎】呼吸不順免驚!實驗證實:愛愛可以治鼻塞

【和平獎】驗證男性的鬍鬚面對拳擊的防禦力

不管是東方還是西方,濃密的鬍鬚一直是男性氣質的指標,更曾經是社會地位的象徵。但過去一直未有針對鬍子在實戰中的防禦力進行研究。

現在這個研究出現了!研究者為了驗證鬍子的「拳擊假說」(鬍子可在拳擊中保護下巴被貓爆),用羊毛代替人類的鬍子、用落錘衝擊實驗機(型號:Instron Dynatup 8250 )代替拳頭進行衝擊力的實驗。

研究結果指出,3 種羊毛型態的對照組中,「毛茸茸的毛」比「修剪過的毛」及「拔下來的毛」都更能有效吸收衝擊力!

此研究證實了,如果有人要對你的下巴貓一拳,有鬍子的你,真的可以減少下頜骨粉碎的可能性喔!(不然呢?)

羊毛物理衝擊實驗示意圖。圖/《Integrative Organismal Biology

研究原文:Impact Protection Potential of Mammalian Hair: Testing the Pugilism Hypothesis for the Evolution of Human Facial Hair

詳細介紹請看:【2021 年搞笑諾貝爾:和平獎】光溜溜的下巴怕鐵拳?快把你的鬍子留好留滿!

【昆蟲學獎】如何在潛水艇中消滅蟑螂

看過台灣夏季街道滿滿的蟑螂嗎?相信不管身在哪裡都不會有人樂見看到蟑螂出沒(抖),更何況是在密閉的潛水艇裡(瘋掉rrr),因此有研究者開始研究,究竟怎樣才能消滅潛水艇裡的蟑螂。

這份 1964 年的研究,當年在經歷了 3 艘潛水艇中與蟑螂的戰役後指出,相較於蚊香中的除蟲菊脂及農藥中的胡椒基丁醚,噴灑敵敵畏(dichlorvos)是最安全、經濟且有效殺蟑的方案。

因此研究結論也建議,「噴灑敵敵畏」可當作美國海軍控制潛艦內蟑螂數量的方案。

當年的研究者現在已經是老爺爺了(右下)。圖/Improbable Research

研究原文:A New Method of Cockroach Control on Submarines

【交通獎】用直升機倒掛犀牛,會比側臥更安全嗎?

如何用更符合人道的方式運輸動物,一直是備受關注的議題。而本研究以黑犀牛為實驗對象,想探討從腳部倒掛黑犀牛,究竟有沒有比側臥懸掛的方式更安全?

在本次實驗中,研究者將 12 頭黑犀牛麻醉後,依序讓牠們側臥吊掛10分鐘後,再被起重機用腳部倒掛 10 分鐘(看來是為了節省經費),想比較出 2 種姿勢哪種對黑犀牛來說更加安全?

最後從犀牛們的生理指標來看結果,吊掛及側臥對犀牛的肺功能損害……沒什麼區別,但因為吊掛對胸腔的壓迫較小,犀牛們的吸氣量有微量提升,也就是說呼吸似乎更順暢了!

圖/Improbable Research

研究原文:The Pulmonary and Metabolic Effects of Suspension by the Feet Compared with Lateral Recumbency in Immobilized Black Rhinoceroses (Diceros bicornis) Captured by Aerial Darting

詳細介紹請看:【2021 年搞笑諾貝爾:交通獎】四腳朝天倒吊運送犀牛,會比側臥更安全嗎?


雖然來到 2021 年,這已是第二次的遠端頒獎典禮了,但這群科學家們還是十分自娛自樂呢!能夠在這樣的日子繼續愛著科學,實在是再幸福不過的事呀。如果大家想要支持主辦單位,可以去他們的官網贊助喔!(也可以贊助認真報導的我們<3)

圖/Improbable Research

那麼,今年的典禮到此結束啦!更多詳細內容請期待我們的後續報導!也可以複習一下以前超有哏的頒獎典禮,或是去看看往年的得獎內容喔!

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PanSci_96
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