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全面啟動你的夢境

科學月刊_96
・2012/03/26 ・1544字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 632 ・十年級

電影《全面啟動》描述男主角在別人的夢裡偷取及植入記憶,

在這個科幻情節背後,是否有可靠的科學元素為依據呢?

許家偉

筆者的一位朋友說她總是記不起自己夢境的內容,只能隱約記得夢裡的感受,其實很多人都跟她一樣。但她的丈夫卻不一樣,他除了會記得自己夢境的內容(他有寫夢誌的習慣),還能察覺自己身在夢裡;例如他在夢裡跟人爭吵時會說:「我才不在乎呢!反正我是在做夢。」除此之外,他跟《全面啟動》(Inception, 2010)情節類似,有夢中夢,他曾夢見自己在做數學習題,當這個夢境結束後,他知道仍在夢裡,並懊惱自己為甚麼在上一個夢中沒有把那些代數題目給算對,當他醒來之後就記下這個夢中夢。那麼,我們為甚麼會做夢呢?夢境都從哪裡來的呢?我們的夢是否會透露出一些不想為人知的秘密呢?要回答這些問題,得先了解睡眠及記憶。

睡眠週期

我們每晚的睡眠是經由多個睡眠週期(sleep cycle)所組成,每個週期可分成好幾個階段。當我們躺在床上合起雙眼,放鬆身心準備入睡時,雖然意識仍然清楚,但身體已經進入鬆懈的狀態, 在腦電圖(electroencephalograph, EEG)上呈現的腦波型態是α。一般在沒有失眠的情況下,約10 分鐘之內就會進入第一階段睡眠( stage1),但我們只能用昏昏欲睡來形容這個睡眠階段,因為它並不算是真正的睡眠,只能算是在清醒與睡眠之間的一個過渡期,一般在課堂上或聽演講時的「打瞌睡」就是這種睡眠(所以下次老師責備你上課時睡覺的話,你可以理直氣壯地反駁說自己只處在第一階段的睡眠,不算睡眠)。

電影《全面啟動》由國際名導克里斯多夫諾蘭編劇和執導,片中卡司陣容堅強,以科幻驚悚手法探討夢境與潛意識。
睡眠是由多個睡眠週期(sleep cycle)所組成,每個週期可分成好幾個階段:第一階段睡眠並不算是真正的睡眠,只能算是在 清醒與睡眠之間的一個過渡期;第二階段稱為輕度睡眠,因為很容易被弄醒;第三及第四階段睡眠統稱為深度睡眠( deep sleep )或慢波睡眠(slow-wave sleep, SWS),此時呼吸、心跳、血壓都是一天裡最低;而經過深度睡眠之後,就進入快速 眼動睡眠(REM),又稱為做夢睡眠( dream sleep),通常最理想的醒來時間是在REM 及接下來次循環的開始時期。

我們很容易從這個階段中醒過來,醒來之後只會覺得只是瞇了一下而已。不過,第一階段睡眠還是有一些跟清醒時不同的生理特徵:呼吸變得緩慢、肌肉開始放鬆、心跳速率下降、腦波轉變為θ、會有視覺及聽覺上的半睡幻覺(hypnagogic imagery)。

睡眠狀況良好的人,很快就會進入第二階段睡眠(stage 2),從這個階段開始才真正被當作入眠。這時候,腦部及身體都更放鬆,漸漸失去對外界的反應,腦波發出兩種模式:睡眠紡錘波( sleep spindle)及K 複合波(K-complex)。雖然第二階段睡眠比第一階段睡眠更深,但只算是輕度睡眠(light sleep stage)的淺睡階段,因為仍然很容易被弄醒。第二階段睡眠被視為腦部跟外界環境完全隔絕之前的一個間歇階段。

接著就會進入更深層的第三及第四階段睡眠(stage 3 and stage 4),統稱為深度睡眠(deep sleep)或慢波睡眠( slow-wavesleep, SWS),因為這時的腦波模式是屬於慢波的δ。深度睡眠時的呼吸、心跳、血壓都是一天裡最低,腦部的血流量及耗能量都劇降,幾乎可以說腦部完全斷絕於外界刺激,形同失去知覺。所以當睡眠者一旦進入深度睡眠的話,就很難被喚醒;若果真在第四階段睡眠被叫醒,醒來的人會有搖晃不穩及思緒混亂的感覺,無法立即分辨出自己是否清醒, 稱為醒覺混淆(arousal confusion)。由於在深度睡眠時流向腦部的血液減少,身體大部分血液都被引導到肌肉,因此肌肉能取得氧份及營養來補充能量,進行生理修復功能,免疫系統也在深度睡眠時最活躍,這就是為甚麼我們累了或生病時就想去睡覺的原因。

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科學月刊_96
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》