灑下百道層光，一窺微觀世界的生命律動：「晶格層光顯微鏡」如何為細胞拍攝寫真集

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《近場光學顯微術，開啟奈米世界大門》
• 作者／簡靖航｜科技大觀園特約編輯

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後，從 20 世紀後半⾄今，突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸（約為光波長的⼀半，以可⾒光來說約 200-350 nm），仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑，⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場（far field）與近場（near field）兩⼤類，這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長（約數⼗奈米）處進⾏量測，若有則為近場，其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度， 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺，專攻近場光學顯微術，屬於探針掃描顯微術（Scanning probe microscopy, SPM）中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術，家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術，依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中，最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡（Scanning tunneling microscope, STM），其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流（註1），作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離，⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡（Atomic force microscope, AFM）則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術，其以針尖接觸（contact）或輕敲（tapping）物體，藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒，得知物體表⾯的高低起伏。 

在探針掃描顯微術中，控制針尖與物體的相對距離是重要的課題，STM 可控制距離在一奈米以下，AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外，要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」，其尺度都會在微米級別以上，這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場，⽽導致晶格長度的伸長或者收縮，即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術，探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎，外加光源於針尖上，即為近場光學顯微術（Scanning near-field optical microscopy, SNOM），依照光源形式的不同可區分為兩⼤類： 

1. 微孔式近場光學顯微術（aperture SNOM，簡稱 a-SNOM） 
2. 散射式近場光學顯微術（scattering SNOM，簡稱 s-SNOM）

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖，先鍍上⼀層⾦屬薄膜，並打上⼩洞，讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出，得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上，並量測散射後的光訊號。其中，針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡（Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS）是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式，主要為量測拉曼散射光譜，即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱，透過探針鍍上⾦屬薄膜，即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果，來增強待測物的拉曼訊號，並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間，其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測，需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合，用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主，曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果，維基百科的 TERS 條⽬，也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後，陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM，兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上，因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM，以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外，穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易，是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式（contact mode）的 AFM 方式掃描，以防止輕敲式（tapping mode）起伏會干擾光訊號，代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡，能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅（在⼀個奈米以下），可以大幅提高 AFM 的形貌解析度，也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗，才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度，但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性，經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM，因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度，來解釋近場光學所量測的結果，以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外，陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測，將針尖與光學元件整合在自製的腔體（cage system）之中，得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像，這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後，⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員，「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽，陳祺分享⾃⼰的⼼得：「是不可能兼顧的啦！先集中精神做好⼀件事，等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事， 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1：量⼦穿隧電流：在量⼦世界中，物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質， 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時，有不為零的機率穿過去，並產⽣穿隧電流（tunneling current ）。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減，因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

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
• 美術設計｜林洵安

日常壓力會誘發纖維肌痛症

纖維肌痛症 (fibromyalgia) 病患有全身慢性肌肉痠痛，可能伴隨失眠、焦慮和憂鬱等症狀，致病機轉一直是個未解之謎。中央研究院生物醫學科學研究所陳志成研究員與研究團隊，找到纖維肌痛症可能的生理與心理致病機轉和關鍵抑制劑，論文於 2020 年 9 月發表於國際風濕免疫科權威醫學期刊 (Annals of the Rheumatic Diseases)。

無藥可醫的纖維肌痛症

「纖維肌痛症 」最常見的症狀是全身肌肉慢性痠痛，伴隨疲勞、失眠、焦慮和憂慮，有時被稱為稍微累一點就全身痠痛的「公主病」。目前醫學對於該病的致病機制並不清楚，病人往往不斷轉診仍找不到明確病因，因此也尚未有專屬用藥，只能先緩解症狀，但效果相當有限。

不過臨床上發現，日常生活精神壓力會誘發或加重纖維肌痛症症狀。多數病患的背後都是一段故事，可能有家庭、親友、經濟、工作等各種問題。只是心理壓力和纖維肌痛症到底誰是因、誰是果？背後的致病機制是什麼？「我們必須建立一個可以反應纖維肌痛症的動物模式，以驗證心理壓力與纖維肌痛症的關係。」 陳志成說明。

在此之前，先來看看痠痛是怎麼引發的呢？

組織酸化誘發痠痛

過去研究認為組織酸化會誘發痠痛。1980 年德國人曾做過人體實驗，直接把酸性物質注射入人體，結果發現真的會引起痛感，而且流速越快、越痛，初步證明酸與痠痛的因果關係。但酸是透過什麼樣的分子機制來刺激痛覺神經，卻一直沒有定論。

陳志成嘗試以此建立纖維肌痛症的動物模式。他們先幫小鼠注射酸鹽水，然後以壓肌肉或用細尼龍線刺激小鼠腳掌，發現小鼠碰到刺激會縮腳，代表的確有「疼痛過敏化」現象，但這疼痛過敏化現象在 24 小時以後會消失不見。但如果五天之內在同樣位置再打一次，就會導致持續約一個月的疼痛過敏化，而且也會發生鏡像性的疼痛，成功符合纖維肌痛症的特徵。

這個小鼠實驗模式提供了一個平台，讓陳志成可以從神經學的分子機制上，深入研究組織酸化如何誘發慢性肌肉疼痛。

我們身上各個組織都有痛覺神經，神經上有許多可被酸給激活的離子通道或受體分子，最重要的包括酸敏性離子通道（ASICs），以及辣椒素受體蛋白 (TRPV1) 等等。陳志成實驗發現，如果以藥物抑制 ASICs 或 TRPV1，五天後再次的肌肉酸化刺激就無法誘發慢性疼痛。但是，如果再次的肌肉酸化刺激發生於第二天，仍會誘發 7 ~ 10 天的疼痛過敏化現象。因此，陳志成推論出，第一次肌肉組織酸化不僅是誘發短暫的疼痛過敏化現象，也讓肌肉痛覺神經產生了可塑性變化，所以五天以內再次肌肉酸化刺激，就足以發展成慢性疼痛。

用噪音製造壓力源

了解痠痛的神經科學分子機制，下一步就是建立心理壓力造成痠痛的動物模式，怎麼做？噪音是好工具！一般的壓力來源很難定量，但是噪音可以換算分貝並以程式設定，比較好掌握。

他們讓小鼠待在籠中，不定時播放尖銳、人耳可能聽不見的超音波噪音，一天重複六次，隔兩天後再連續兩天重覆進行……結果，受到噪音壓力的小鼠，出現了疼痛過敏化現象持續約一個月。「我們發現，關鍵是要有不確定性、間歇性、重複性的壓力刺激，如果是給予短暫的壓力刺激，小鼠並不會出現慢性疼痛過敏化現象。」

此外，一般纖維肌痛症患者常出現共病，像焦慮、憂鬱等情緒問題。他們觀察具有疼痛過敏化現象的小鼠們，焦慮行為也變得明顯：一般健康的小鼠喜歡到處探索、玩耍， 放入十字迷宮時，敢走到兩側開放懸空的部分，但有焦慮行為的小鼠喜歡躲在隱蔽空間、不敢跑出來。

壓力 –> 氧化脂質 –> 疼痛訊號

建立一套動物模式後，接下來他和研究團隊想知道，體內有什麼東西誘發了痠痛？

他們分析小鼠血液中的脂質，發現小鼠在遭受壓力後，體內有一群特別的脂質被代謝出來。「我們發現到一種氧化脂質 LPC16：0 ，令人眼睛為之一亮！」陳志成說道。原來，幾年前有法國科學家發現這種氧化脂質 LPC16：0 可以專一性的刺激感覺神經元上的 ASIC3 酸敏性離子通道。賓果！全部事情似乎都可以串連在一起了。

經過反覆實驗，致病機轉的輪廓漸漸清楚了！外界的壓力源 (噪音)，會導致小鼠體內的氧化壓力上升，造成脂質代謝異常，產生過量的氧化脂質 LPC16：0 ，活化肌肉感覺神經元上的 ASIC3 酸敏性離子通道，造成疼痛過敏化現象，持續刺激下轉變成慢性疼痛。

纖維肌痛症療法現曙光

在小鼠身上驗證後，回到纖維肌痛症病人身上觀察：他們體內是不是有比較高的氧化壓力？比較高的異常脂質代謝呢？研究團隊將病患根據症狀嚴重程度分類，一群是全身痛、但症狀比較輕微，一群是全身又痠又痛、症狀比較嚴重，發現全身痠痛症狀嚴重的病人體內的 LPC16：0 特別高，另一組症狀輕微的病患則沒有，兩組之間有明顯的差異。

而人體其實本有快速代謝 LPC16：0 的路徑，但在五天內重複刺激，就可能變成慢性痠痛；換句話說，很多纖維肌痛症患者的病因可能是長時間一直受壓力刺激，體內會持續產生氧化脂質 LPC16：0，導致肌肉長期慢性痠痛，「這也能說明一個奇特現象：許多纖維肌痛症病患即使用藥也不見效，但當壓力源去除，像是搬離不幸福的家庭，全身痠痛就可能突然不藥而癒。」陳志成補充。

研究人員證明氧化脂質 LPC16：0 是引起痠痛感的禍首後，就可以嘗試去阻斷它產生。研究團隊用一種可以抑制這種酵素的藥物–血小板活化因子乙醯水解酵素抑制劑 (platelet-activating factor-acetylhydrolase inhibitor; darapladib)，打到小鼠的身上，果真成功降低壓力造成的疼痛反應，此發現已申請國際專利，未來可望運用在纖維肌痛症臨床治療。

纖維肌痛症的神祕面紗，至此終於稍稍揭開！這項重大研究成果於 2020 年 9 月刊登在國際風濕免疫科權威醫學期刊 (Annals of the Rheumatic Diseases) 上。不過這只是陳志成痠痛研究的一角。他首創「痠覺理論」，希望能從更深入、全面解答慢性痠痛的成因，尋找更有效的療法。

建立痠覺理論，尋找新一代止痛藥物

何謂痠覺理論？首先，陳志成認為：痠是痠、痛是痛，兩者並不一樣。

這點對華人沒有問題！在臺語詞彙中有痠（SNG）、也有痛，國語詞彙中有又痠又痛、腰痠背痛等，可是在許多國家語言中只有關於疼痛 (PAIN) 的詞彙，沒有單獨提到痠覺的字彙。目前國際上只有對於疼痛的定義，把痠痛視為同一件事，或認為痠只是比較輕微的痛覺。

但是痠痛成因其實相當複雜，與組織酸化的關係也有待釐清！

比方說，酸可能引起疼痛，但你知道它也有止痛的效果嗎？在上述的小鼠肌肉酸化實驗中，陳志成發現同時抑制 ASIC3 與 TRPV1 ，可抑制酸所誘發的疼痛過敏化現象。但奇怪的是，第二天對於小鼠再次進行肌肉酸化刺激，雖然 ASIC3 與 TRPV1 這次沒被抑制，但小鼠竟完全沒疼痛反應！由此得知：除了 ASIC3 與 TRPV1 之外，還有一個未知、但是很重要的受體參與反應。這個神秘的受體是一個可以止痛的酸敏性受體分子，讓止痛的效果從第一次實驗延續到第二次！

接著，陳志成發現這個受體分子被刺激後，會促使感覺神經末梢釋放重要的神經傳導物質–物質 P。他認為：當痛覺神經被刺激後，在肌肉端的神經末梢會釋放物質 P，物質 P 會抑制神經活性，達成止痛作用，宛如痠痛的煞車系統。陳志成隨即抑制物質 P ，果然一次肌肉組織酸化就足以誘發慢性疼痛，讓小鼠無止盡痛下去。

那麼，問題來了！既然酸可以誘發疼痛、又可止痛，那麼痠痛病人到底是抱怨痠，還是痛呢？痠顯然不只是一種輕微的痛覺這麼簡單！這個「酸止痛」的神奇現象，提供了痠與痛的另類思考，物質 P 也可能成為新一代的止痛藥物。

「我現在就像一個傳教士，必須努力說服大家，痠與痛不一樣！我也跟語言學家合作，了解其他國家的相關詞彙，希望不久後可以將痠覺清楚定義出來。」唯有正視痠痛的不同，分別了解痠、痛背後各自的分子病理機制，才能發展更有效的止痛或止痠療法，嘉惠更多受到慢性痠痛折磨的病患。

• 採訪編輯｜廖英凱 美術編輯｜張語辰

為活細胞拍微影像

中研院應用科學研究中心的陳壁彰助研究員，與團隊利用「空間光調變器」開發了「晶格層光顯微鏡」，具有高解析度、長時間觀測、低光毒性的特性，改革了活體螢光顯微術，使研究者能親眼目睹例如細胞分裂等活體生命現象。

那些年，科學家如何「小」看世界

十七世紀起，Robert Hooke 與 Antoni van Leeuwenhoek 提出了顯微鏡的技術發展與改進，成為了微觀尺度生物學的關鍵基礎。隨著顯微鏡的改良與倍率的提升，我們也越來越了解微觀世界的樣貌。一沙一世界的美麗境界，就隨著一片片精心磨製的玻璃鏡片，向科學家敞開了偉大的航道。

然而，到了十九世紀後期，科學家開始察覺到：顯微鏡似乎無法隨著技術的進展，而使倍率不斷地放大。

Ernst Abbe 發現，這是由於光的波動性造成的干涉與繞射，導致顯微鏡所能得到的最小解析度，僅能是二分之一個用來觀測的光的波長。例如，如果利用波長是 500 奈米的黃光來觀測，所能得到的解析度就僅能有 250 奈米，雖還能看到細胞與細菌，但卻無法看清楚細胞內各胞器的樣貌。這一個波長的限制，也就是所謂的「繞射極限」。

為了突破繞射極限的阻礙，各種截然不同的思維與原理，催生了不依靠「可見光」來觀測微觀世界的顯微術，包含：利用觀測「電子」來顯示物體內結構、或表面樣貌的電子顯微鏡；利用原子間「凡得瓦力」的作用，來呈現物質表面樣貌的原子力探針顯微鏡；或利用近場光學的方式，將光源與樣品接近到只有數十個奈米，使距離拉遠時，光學的干涉與繞射現象無法顯現出來。

但多數相關觀測技術，都需在相當限制的條件，例如真空環境、極薄的樣品切片等才得以進行，對於活體生物的觀察仍受到諸多限制。

直至近二十年來，各種「螢光顯微術」的發展，使觀測微觀活體生物世界，有了嶄新的研究方式。

由於生物細胞的胞器或生物分子等，並不盡然有顯著的顏色差異，因此不能單純僅依靠可見光與倍率放大來觀察；因此，螢光顯微術的核心原理是將外加的「螢光分子」，附著或接合在指定的生物分子上，如特定的蛋白質或特定的脂質等。由於這些特定的生物分子的分布，會與生物細胞內的結構有關，所以藉由觀察螢光的分布，我們就能了解生物細胞的微觀結構。

2014 年，由 Eric Betzig、Stefan W. Hell 和 William Esco Moerner 等人榮獲的諾貝爾化學獎，其重要性就是利用了螢光分子的化學特性，繞過了物理上繞射極限的阻礙，而達到超高解析度的生物影像。

如何看得小又快、久又深

但是，儘管有超高解析度的影像，並不盡然能表現出活體生物裡的動態樣貌。現有螢光技術中，常利用汞燈與雷射來激發螢光分子，但這些激發的能量，往往使螢光能顯現的時間非常短，激發光的能量也會對生物分子造成傷害，也就是所謂的「光毒性」。

然而，若能夠延長觀測的時間與增加激發能量，則又可以觀測到活體生物的動態表現、與更細緻的現象；此外，多數超高解析度的顯微技術，都侷限在空間解析度的強化，而無法看到活體生物的立體結構與變化。

這些面向導致螢光顯微術的發展，總是在這四個維度之中拉鋸取捨：看得小（空間解析度）、看得快（時間解析度）、看得久（光毒性）與看得深（影像深度）。

為了實踐活體生物分子的螢光顯微觀測，中研院陳壁彰助研究員師承 Eric Betzig ，與團隊研發出「晶格層光顯微術」，讓光源只精準地照射到生物樣品中所要觀察的焦平面上，這樣的照明方式，可以減少不必要的照明以減少光毒性，又因只照明到待觀測的切面上，而能有效減少背景雜光。

如下圖，傳統的螢光顯微術中，照明的光源是與觀測視角同向的寬場光源 （widefield），使得觀測樣本整體都接受到激發光的能量，所要觀測的焦平面上下範圍，也因會被光源照射到，而產生背景雜光影響觀測品質。

為了解決寬場光源這樣過度照明的缺點，另一種「共軛焦顯微術」是利用針孔 （pin-hole），讓焦平面上的光源僅聚焦在極小的區域，但極小的焦平面上下的區域，仍然會被光照到而產生雜光。

如下圖，另一種傳統平面層光照明的方式，則是將照明的方向與物鏡觀測的方向垂直（正交），使被照明的區域可以籠罩待觀測的焦平面，但這樣的照明區塊仍然太厚。

對於以上的問題，利用「貝索層光照明」的方式，可以有效地改善。因為貝索光束能在焦平面上形成一條寬度僅有 0.5 ????m 的光束，使照明的光源僅照射到待觀察的焦平面上，讓影像擁有極佳的光學切面效果；再利用與光束垂直的觀測物鏡，以寬場成像的方式收集螢光。因此，只要在樣本中移動貝索光束，就能逐條觀測出待測樣品的微觀樣貌。

用液晶螢幕圖形，製造出數百條層光

但是對於活體生物來說，僅依賴一條貝索層光掃描，仍無法精準且即時地觀測到生物體內的動態現象。因此，陳壁彰團隊應用了「構造化照明顯微術」（Structured Illumination Microscopy, SIM）的思維，先利用一個二維的光學晶格，來侷限光的延展方向，而輸出一層光；再利用自行開發的「空間光調變器」（Spatial Light Modulator, SLM），控制晶格紋路的呈現圖形。

空間光調變器，是一個由程式控制的液晶螢幕，螢幕上顯示了由理論計算出來的相位圖案，當入射的雷射光打到這個螢幕上的圖案時，如同透過一個光柵，使雷射光產生繞射、生成數百條的層光。利用數百條貝索層光同時掃描樣品時，僅需要「抖動」一下樣品，就能完成一次完整的掃瞄。

此外，由於可利用程式控制液晶螢幕上的相位圖案，因此研究者不會像傳統光學實驗一般，被所能取得的光柵元件特性侷限，而能精細且多樣化地微調出理想的層光狀況。

比起使用「單一貝索層光」來逐行掃描，陳壁彰團隊的方法不僅能維持良好的空間解析度，更因「數百條貝索層光」能快速完成掃描樣品的特性，而讓觀測結果有良好的時間解析度。再者，也能因精準地使用較低能量的光束，而維持低光毒性，來對活體樣本（例如細胞）進行長時間的追蹤觀測。

為活細胞拍微影像

晶格層光顯微鏡「良好時空解析度」與「低光毒性」的特性，可以讓研究者長時間觀測微觀生物世界的動態現象，例如：特別針對追蹤細胞內單分子的動態，來理解生物體內某些反應機制；或如下方影片動態，利用每秒一次的頻率完整掃描細胞，錄製長達十分鐘的影像，從而觀察到細胞分裂的完整流程與細節。

晶格層光顯微鏡的問世，引起眾多生物實驗室的高度興趣，特別是陳壁彰博士後時期的老師 Eric Betzig 非常強調顯微鏡的開發，一定要有生物學的「應用」！

因此，當晶格層光顯微鏡的第一版建置完成後，當時 Eric Betzig 特別要求陳壁彰租車開了 10 多個小時，將顯微鏡整組打包、載到一個研究烏賊神經網路的暑期工作營隊中，將晶格層光顯微鏡介紹給其他研究社群，並陸續在一年內與 37 個不同生物實驗室合作，觀測了各式各樣的生物樣本。除了能快速累積實驗資料以改善顯微鏡，也開啟廣泛接觸到不同研究主題的契機。

目前，晶格層光顯微鏡已從它眾多的觀測成果，被驗證為觀測活體生物的利器。然而晶格層光顯微鏡在面對深度較深的樣品時，仍會因為樣品本身的像差，而影響成像能力。且生物體中仍有太多不透明物質，會嚴重阻礙活體生物的觀察。

2014 年回到臺灣後，陳壁彰在中研院擁有自己的實驗室，陳壁彰認為，未來的研究方向，除了引進在天文觀測中，用以抵銷大氣影響的自適應光學 （adaptive optics） 概念以外，也須開發出對應的樣品製備方式，例如利用化學方法將脂質替換掉，使樣品透明化以便於顯微觀測。

相較於多數生物學界慣行的研究方法，「活體生物顯微術」的概念仍相當新穎，其中對於活體的定義、樣品的製備方式、與之對應的研究方法設計，都尚有研發與推廣的空間。但無庸置疑的是，晶格層光顯微鏡的問世，已為觀測微觀世界的生命律動，灑下了百道一窺堂奧的洞察之光。

延伸閱讀

• 陳壁彰的個人網頁
• Chen, B. C., Legant, W. R., Wang, K., Shao, L., Milkie, D. E., Davidson, M. W., … & English, B. P. (2014). Lattice light-sheet microscopy: imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution. Science, 346(6208), 1257998.
• Schermelleh, L., Heintzmann, R., & Leonhardt, H. (2010). A guide to super-resolution fluorescence microscopy. The Journal of cell biology, 190(2), 165-175.
• 國家地理報導：〈觀察鮮活生物細胞的重大革新：「晶格層光顯微術」〉
• 今週刊報導：〈他拍活細胞微電影 讓諾貝爾得主說讚〉

本著作由研之有物製作，原文為《灑下百道層光，一窺微觀世界的生命律動──晶格層光顯微鏡》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

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｜蕭歆諺
• 美術設計｜林洵安

拚經濟 VS 顧性命，防疫政策可能兼顧嗎？

新冠肺炎席捲全球，各國紛紛祭出的嚴格手段，封城、禁足、邊境管制。但這類政策宛如雙面刃，控制人流接觸、傳播疫情，也可能同時衝擊經濟。性命要顧，生計也不能不管，政府該如何擬定政策才能兼顧兩者？當 Covid-19 可能趨向常態化，從嚴防守零容忍是長期最好政策嗎？中研院經濟研究所團隊建構出一套經濟學運算模型，在健康與經濟權衡間，找出適合各國的最佳防疫政策。

防疫是公衛與經濟的拔河

想像一下，你現在是防疫團隊的決策者，此時正與各領域專家開會。

一群學者嚴厲警示：防疫如作戰，務必嚴格限制邊境、在家工作，用盡一切手段把感染人數降到最低。但另一群專家立刻出聲反對：「沒錢也會沒命！」他們主張防疫必須適度寬鬆，盡量維持日常生活，才不會把人逼上絕境。兩邊爭吵不休，你怎麼決定？

對許多人來說，答案或許直觀：防疫首選應該是愈嚴密愈好，最短時間、最高防堵。但在經濟學家眼中，答案沒有這麼斬釘截鐵。

中研院經濟所助研究員林軒馳、楊宗翰和訪問學者許文泰，耗費近五個月，建構一套量化運算模型，試圖在健康與經濟之間權衡，找出各國的「最佳防疫策略」。

「隔離實在太無聊……」談到研究動機，三人半開玩笑地說，但他們隨後也點出了幾個關鍵動機。

首先，新冠肺炎的衝擊百年罕見，但觀察目前的國外研究，多半仍有限制。例如，總體經濟學家大多忽略國與國之間的互動，沒有納入國際貿易觀點；國際貿易學者則鮮少探討是否有共通的防疫政策。因此，三位學者試圖更全面地找出：在開放經濟體中，什麼才是最佳的防疫政策？

另一個關鍵動機是，他們發現權衡健康與經濟議題，國內輿論幾乎一面倒，「新聞裡的學者專家基本都是公衛或醫學背景，」防疫是公共衛生與經濟的拔河，畢竟健康重要，但放眼各國，長期全境關閉、封城禁足已衝擊眾多產業和商家的營運，擊垮無數家庭生計。因此，經濟問題也不可忽視。

「我們可能同時顧及公衛與經濟，找出經濟損失最少的防疫選項嗎？」，成為研究團隊的核心問題。

各國國情不同 客製化找疾病傳播速率

帶著這樣的問題，團隊以 2020 年初至 7 月 22 日的資料為基礎，建構出一套經濟學運算模型，檢視不同條件對疫情擴散、經濟損失的影響。

第一步，先了解各國疾病傳播速率。

他們使用流行病學的常用指標：基本再生數（Basic Reproduction Number, R₀），意思是每一個感染者平均會傳播給多少人。當 R₀ 越大，代表疾病擴散快，疫情越難控制；若 R₀ 小於 1，傳染人數變少，疾病便會逐漸消失。

但即使是同一種疾病， R₀ 也並不是統一的。「我們根據模型裡人與人的互動參數，或是各國的防疫政策等，反過來推估計各國的 R₀。」

許文泰解釋：「每個國家的國情、防疫措施都不同，例如亞洲人習慣戴口罩，歐洲人打招呼會親吻，所以我們進一步去『客製化』各國狀況——結合各國的 R₀ 、防疫措施，去計算出對應的有效傳染數（Effective Reproduction number, R_e）。」

另外，他們也加入 Dingel and Neiman （2020） 的「各國遠距工作指數」、牛津大學的「防疫政策指標」等重要指標，來做為模型內的運算參數，以提供「客製化」的結果供各國參考。

防疫政策好理解，但為何遠距工作要納入模型？原因是，遠距工作的可行性，也會同時影響疫情傳播與經濟衝擊。楊宗翰舉例：「像美國肉品處理業、或是亞馬遜的雨林工業的工人，很難在家工作，使得工作地就成為群聚感染的破口。」

因此，若一個國家產業的遠距工作可行性愈高，受到的經濟衝擊也相對愈小。國內封城，人們還是可以遠距工作，以及透過國際貿易補足缺口、互通有無，經濟衝擊就可能降低。

結合流行病學、國際貿易的各項參數，建構出模型後，研究員開始進行各項模擬推算，了解實施不同的防疫政策下，經濟表現有何差異。

參照韓國防疫，「短期」經濟變好或變壞？

他們先以第一波疫情的模範國韓國作為參照。假設，世界各國都向好學生看齊，採用韓國政策防疫，各地的經濟狀況會變好嗎？

檢視經濟狀況的指標有兩項：實質收入（real income）和人民福祉（welfare）。

實質收入較好理解，即是指一國的實質 GDP。後者並非我們熟悉的社會福祉，而是考量了個人感受的效用（utilities）總和，包括風險趨避（risk aversion）、跨時間的替代效果（intertemporal substitution effect）等都納入衡量。簡單來說：當疫情愈穩定、個人收入愈平穩、一國的人民感受愈好，福祉就會愈高。

要特別說明的是，「套用韓國政策」並不是模仿施行一模一樣的政策，而是「讓疾病傳播速度限制在某個數值（R_e）之下」。好比，台灣感染案例更低，因此採韓國政策就代表要增加現行 R_e，也就是放鬆現行管制。

至於，為何對照組是韓國，而非超級優等生台灣？說來有趣，答案正是台灣太「模範」了！林軒馳分析：「去年七、八月時，台灣幾乎毫無疫情。如果以台灣做參照，各國經濟活動都要 shut down（全面中止），」台灣就像平行時空，R₀ 太低，多數國家難以企及。

因此，研究團隊以「韓國的有效傳染數（R_e）」做基準，對比現行防疫措施，推算當各國都調整防疫措施，使傳播速度低於這個值時，是否能遏止病毒擴散？對經濟衝擊有何影響？

結果出人意表！除了中國、台灣，短期來看其他國家的實質收入、人民福祉，全都變糟了！加強防疫後，代價是經濟蒙受不小損失。細究原因，韓國疫情比絕大多數國家控制得好，各國需要收緊管制。因此若向韓國看齊，雖然能降低感染人數、少死一些人，但也得承受明顯的經濟衝擊。

看起來，以韓國作為標竿從嚴防疫，對多數國家經濟福祉並不利。難道，防疫真的是經濟殺手？

短期而言，答案似乎是肯定的。但是把時間拉長來看，問題將會複雜許多。因為死亡帶來的各種負面成本，會隨著時間發酵。

比如，一位 30 歲年輕人不幸染疫身亡，假設他原本活到平均年齡的收入、稅金、社會貢獻、消費、可能生養的孩子，將通通化為泡影。另外，狂飆的死亡人數也會讓恐懼陰影擴散，增加不安定的社會成本，「像是賭博一樣，政府都發爛牌給你，知道穩輸的感覺很差，」許文泰解釋。

參照韓國防疫，「長期」經濟變好或變壞？

因此，研究團隊又做了下一個模擬，假定在廣泛施打有效疫苗之前，需要長期防疫。若各國長期採用韓國政策，結果如何？

情況開始出現分流：有人退步，有人進步。也就是說，一半的國家需要收緊管制，另一半的國家需要放鬆管制，才能有較好的經濟表現。

韓國、台灣得放鬆管制，否則長期下來會承受經濟損失；美國、巴西、印度則應收緊防疫，雖然短期受到衝擊，但長期經濟表現反而更好。

把時間拉長來看，佛系國家若收緊管制，既能挽救更多人的性命，還增加整體經濟利益；中、台、韓等從嚴防疫的國家，則需要放鬆。只是後者調整政策的迫切性沒那麼大，因為實質收入雖然可顯著增加，但福祉並不會巨幅提升。

許文泰強調：「防疫該收緊的時候，請一定要做到，不管是收入、福祉、心理成本都有影響，這不是開玩笑的！」

找出各國最佳防疫政策

保錢、保命一定相互衝突嗎？R_e 降到最低，就是最好的防疫政策嗎？顯然，答案未必如此。

從研究結果看來，長期的最佳政策必須在經濟活動、疾病控制之間，找到平衡。強力讓有效傳染數率急速歸零，不見得就能成為模範生，很可能撲滅疾病，但經濟也全面蕭條衰敗，付出慘痛成本，需要考量各國不同的情況，才能計算最佳的防疫政策。因此，下一步，

團隊根據實質收入、人民福祉兩項經濟指標，融合流行病學模型與數據，演算出各國的「最佳防疫政策」──也就是實質收入、人民福祉都能最大化的各國 R_e 值。

世紀大疫爆發至今，應該強力封城或者佛系防疫，仍是爭論不休的議題。三位學者透過經濟模型找出最佳防疫參考值，運算出各國最適合的 R_e 值，也成為這項研究的突破性發現！

研究團隊運算出最能降低經濟損失的最適政策後，接著，三位學者也進一步檢視，實施後有多大成效？

根據模型演算，如果各國採取各自最佳防疫政策，多數能增加 2.5% 福祉，包括美國、英國、印度。2.5% 聽起來微不足道，實際上，一兩年的差異如同發展基底，很有可能關乎後續深遠的經濟影響。

如果有一個超級 WHO，該怎麼防疫？

除了最佳防疫政策，他們也做了其他有趣的模擬。例如，想像全世界是由一個機構（例如進化版 WHO），制定全球統一的防疫手段，結果會如何？

「我滿 shocked 的，最佳政策跟放任政策，整體來說實質收入沒有差很多！」林軒馳指出。

若全世界都走佛系路線，相較於採用各國最佳防疫政策，實質收入差距並不大。然而，人民福祉就有顯著差異！這意謂，若國家長期放任，社會必須承受龐大的心理成本，即使表面看來實質收入損失不大，實際上將重創人民福祉。總結本次研究，實施佛系防疫，無論在控制疫情、經濟表現，都明顯吞苦果；採用像韓國般的嚴謹作法，短期雖然會有可觀的經濟損失，長期而言對國家較有助益，死亡人數減少、經濟表現也更好。

值得注意的是，防疫絕非越嚴格越好！最佳防疫政策的推算，就是在控制疫情與經濟效益之間，尋求平衡。

另外，三位學者也不約而同談到了國際貿易的重要性。

許多人認為，高度的跨國往來讓病毒很容易搭上「順風車」，是防疫大敵。但研究團隊發現，國際貿易也可以是支援防疫的「後備軍」。

「二、三月的時候，一度出現反全球化浪潮。但實際上，有國際貿易的情況下，才能更良好地控制疫情，」楊宗翰說明，如果各國完全回歸自給自足，疫情可能更糟。比如逼得重災區如美國，工人仍得維持畜牧、肉品加工，因群聚而加速疫情傳播。有他國貨物支援下，國家才能加強防疫，減少經濟衝擊。

林軒馳補充，現代商業交易並非只有人流往來，多數貿易其實是貨運，補足各國生產缺口，反而對拉平疫情曲線有正向幫助。更遑論，許多醫療資源的跨國互助，也需要仰賴國際貿易。

要錢？還是要命？二選一的遊戲很殘酷，但現實中，這道抗疫選擇題不一定是零和挑戰，面對長期的病毒抗戰，社會需要更多面向的思考。隨疫苗研發成功，台灣在努力維持抗疫好成績之時，或許也可以納入經濟學家的意見，找到下一階段最適合台灣的防疫政策。

延伸閱讀

1. Wen-Tai Hsu, Hsuan-Chih (Luke) Lin, Han Yang ❬Between Lives and Economy: Optimal COVID-19 Containment Policy in Open Economies❭，2020
2. 許文泰個人網頁
3. 林軒馳個人網頁
4. 楊宗翰個人網頁

• 採訪編輯｜廖英凱 美術編輯｜張語辰

為活細胞拍微影像

中研院應用科學研究中心的陳壁彰助研究員，與團隊利用「空間光調變器」開發了「晶格層光顯微鏡」，具有高解析度、長時間觀測、低光毒性的特性，改革了活體螢光顯微術，使研究者能親眼目睹例如細胞分裂等活體生命現象。

那些年，科學家如何「小」看世界

十七世紀起，Robert Hooke 與 Antoni van Leeuwenhoek 提出了顯微鏡的技術發展與改進，成為了微觀尺度生物學的關鍵基礎。隨著顯微鏡的改良與倍率的提升，我們也越來越了解微觀世界的樣貌。一沙一世界的美麗境界，就隨著一片片精心磨製的玻璃鏡片，向科學家敞開了偉大的航道。

然而，到了十九世紀後期，科學家開始察覺到：顯微鏡似乎無法隨著技術的進展，而使倍率不斷地放大。

Ernst Abbe 發現，這是由於光的波動性造成的干涉與繞射，導致顯微鏡所能得到的最小解析度，僅能是二分之一個用來觀測的光的波長。例如，如果利用波長是 500 奈米的黃光來觀測，所能得到的解析度就僅能有 250 奈米，雖還能看到細胞與細菌，但卻無法看清楚細胞內各胞器的樣貌。這一個波長的限制，也就是所謂的「繞射極限」。

為了突破繞射極限的阻礙，各種截然不同的思維與原理，催生了不依靠「可見光」來觀測微觀世界的顯微術，包含：利用觀測「電子」來顯示物體內結構、或表面樣貌的電子顯微鏡；利用原子間「凡得瓦力」的作用，來呈現物質表面樣貌的原子力探針顯微鏡；或利用近場光學的方式，將光源與樣品接近到只有數十個奈米，使距離拉遠時，光學的干涉與繞射現象無法顯現出來。

但多數相關觀測技術，都需在相當限制的條件，例如真空環境、極薄的樣品切片等才得以進行，對於活體生物的觀察仍受到諸多限制。

直至近二十年來，各種「螢光顯微術」的發展，使觀測微觀活體生物世界，有了嶄新的研究方式。

由於生物細胞的胞器或生物分子等，並不盡然有顯著的顏色差異，因此不能單純僅依靠可見光與倍率放大來觀察；因此，螢光顯微術的核心原理是將外加的「螢光分子」，附著或接合在指定的生物分子上，如特定的蛋白質或特定的脂質等。由於這些特定的生物分子的分布，會與生物細胞內的結構有關，所以藉由觀察螢光的分布，我們就能了解生物細胞的微觀結構。

2014 年，由 Eric Betzig、Stefan W. Hell 和 William Esco Moerner 等人榮獲的諾貝爾化學獎，其重要性就是利用了螢光分子的化學特性，繞過了物理上繞射極限的阻礙，而達到超高解析度的生物影像。

如何看得小又快、久又深

但是，儘管有超高解析度的影像，並不盡然能表現出活體生物裡的動態樣貌。現有螢光技術中，常利用汞燈與雷射來激發螢光分子，但這些激發的能量，往往使螢光能顯現的時間非常短，激發光的能量也會對生物分子造成傷害，也就是所謂的「光毒性」。

然而，若能夠延長觀測的時間與增加激發能量，則又可以觀測到活體生物的動態表現、與更細緻的現象；此外，多數超高解析度的顯微技術，都侷限在空間解析度的強化，而無法看到活體生物的立體結構與變化。

這些面向導致螢光顯微術的發展，總是在這四個維度之中拉鋸取捨：看得小（空間解析度）、看得快（時間解析度）、看得久（光毒性）與看得深（影像深度）。

為了實踐活體生物分子的螢光顯微觀測，中研院陳壁彰助研究員師承 Eric Betzig ，與團隊研發出「晶格層光顯微術」，讓光源只精準地照射到生物樣品中所要觀察的焦平面上，這樣的照明方式，可以減少不必要的照明以減少光毒性，又因只照明到待觀測的切面上，而能有效減少背景雜光。

如下圖，傳統的螢光顯微術中，照明的光源是與觀測視角同向的寬場光源 （widefield），使得觀測樣本整體都接受到激發光的能量，所要觀測的焦平面上下範圍，也因會被光源照射到，而產生背景雜光影響觀測品質。

為了解決寬場光源這樣過度照明的缺點，另一種「共軛焦顯微術」是利用針孔 （pin-hole），讓焦平面上的光源僅聚焦在極小的區域，但極小的焦平面上下的區域，仍然會被光照到而產生雜光。

如下圖，另一種傳統平面層光照明的方式，則是將照明的方向與物鏡觀測的方向垂直（正交），使被照明的區域可以籠罩待觀測的焦平面，但這樣的照明區塊仍然太厚。

對於以上的問題，利用「貝索層光照明」的方式，可以有效地改善。因為貝索光束能在焦平面上形成一條寬度僅有 0.5 ????m 的光束，使照明的光源僅照射到待觀察的焦平面上，讓影像擁有極佳的光學切面效果；再利用與光束垂直的觀測物鏡，以寬場成像的方式收集螢光。因此，只要在樣本中移動貝索光束，就能逐條觀測出待測樣品的微觀樣貌。

用液晶螢幕圖形，製造出數百條層光

但是對於活體生物來說，僅依賴一條貝索層光掃描，仍無法精準且即時地觀測到生物體內的動態現象。因此，陳壁彰團隊應用了「構造化照明顯微術」（Structured Illumination Microscopy, SIM）的思維，先利用一個二維的光學晶格，來侷限光的延展方向，而輸出一層光；再利用自行開發的「空間光調變器」（Spatial Light Modulator, SLM），控制晶格紋路的呈現圖形。

空間光調變器，是一個由程式控制的液晶螢幕，螢幕上顯示了由理論計算出來的相位圖案，當入射的雷射光打到這個螢幕上的圖案時，如同透過一個光柵，使雷射光產生繞射、生成數百條的層光。利用數百條貝索層光同時掃描樣品時，僅需要「抖動」一下樣品，就能完成一次完整的掃瞄。

此外，由於可利用程式控制液晶螢幕上的相位圖案，因此研究者不會像傳統光學實驗一般，被所能取得的光柵元件特性侷限，而能精細且多樣化地微調出理想的層光狀況。

比起使用「單一貝索層光」來逐行掃描，陳壁彰團隊的方法不僅能維持良好的空間解析度，更因「數百條貝索層光」能快速完成掃描樣品的特性，而讓觀測結果有良好的時間解析度。再者，也能因精準地使用較低能量的光束，而維持低光毒性，來對活體樣本（例如細胞）進行長時間的追蹤觀測。

為活細胞拍微影像

晶格層光顯微鏡「良好時空解析度」與「低光毒性」的特性，可以讓研究者長時間觀測微觀生物世界的動態現象，例如：特別針對追蹤細胞內單分子的動態，來理解生物體內某些反應機制；或如下方影片動態，利用每秒一次的頻率完整掃描細胞，錄製長達十分鐘的影像，從而觀察到細胞分裂的完整流程與細節。

晶格層光顯微鏡的問世，引起眾多生物實驗室的高度興趣，特別是陳壁彰博士後時期的老師 Eric Betzig 非常強調顯微鏡的開發，一定要有生物學的「應用」！

因此，當晶格層光顯微鏡的第一版建置完成後，當時 Eric Betzig 特別要求陳壁彰租車開了 10 多個小時，將顯微鏡整組打包、載到一個研究烏賊神經網路的暑期工作營隊中，將晶格層光顯微鏡介紹給其他研究社群，並陸續在一年內與 37 個不同生物實驗室合作，觀測了各式各樣的生物樣本。除了能快速累積實驗資料以改善顯微鏡，也開啟廣泛接觸到不同研究主題的契機。

目前，晶格層光顯微鏡已從它眾多的觀測成果，被驗證為觀測活體生物的利器。然而晶格層光顯微鏡在面對深度較深的樣品時，仍會因為樣品本身的像差，而影響成像能力。且生物體中仍有太多不透明物質，會嚴重阻礙活體生物的觀察。

2014 年回到臺灣後，陳壁彰在中研院擁有自己的實驗室，陳壁彰認為，未來的研究方向，除了引進在天文觀測中，用以抵銷大氣影響的自適應光學 （adaptive optics） 概念以外，也須開發出對應的樣品製備方式，例如利用化學方法將脂質替換掉，使樣品透明化以便於顯微觀測。

相較於多數生物學界慣行的研究方法，「活體生物顯微術」的概念仍相當新穎，其中對於活體的定義、樣品的製備方式、與之對應的研究方法設計，都尚有研發與推廣的空間。但無庸置疑的是，晶格層光顯微鏡的問世，已為觀測微觀世界的生命律動，灑下了百道一窺堂奧的洞察之光。

延伸閱讀

• 陳壁彰的個人網頁
• Chen, B. C., Legant, W. R., Wang, K., Shao, L., Milkie, D. E., Davidson, M. W., … & English, B. P. (2014). Lattice light-sheet microscopy: imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution. Science, 346(6208), 1257998.
• Schermelleh, L., Heintzmann, R., & Leonhardt, H. (2010). A guide to super-resolution fluorescence microscopy. The Journal of cell biology, 190(2), 165-175.
• 國家地理報導：〈觀察鮮活生物細胞的重大革新：「晶格層光顯微術」〉
• 今週刊報導：〈他拍活細胞微電影 讓諾貝爾得主說讚〉

本著作由研之有物製作，原文為《灑下百道層光，一窺微觀世界的生命律動──晶格層光顯微鏡》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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