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儉約的基因,奢侈的口味:能合成更多omega-3與omega-6脂肪酸,是優點或缺點乎?

葉綠舒
・2012/05/02 ・1641字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

我們的大腦是個非常神奇的器官。他大約重 1.3 到 1.4 公斤,約有一千億個神經元,每個神經元都向外觸及其他一千顆(老鼠大約只有十分之一的連結)。由於每個神經元都和另外的一千顆有接觸(而且這一千顆並不一定在旁邊),使得腦子所有的部位都能保持密切聯繫 [1]。

既然每一顆神經元都要跟另外的一千顆有聯繫,神經元是否能正常的成長就很重要了。過去曾發現兩種長鏈多不飽和脂肪酸(long-chain polyunsaturated fatty acids, LC-PUFA),DHA(docosahexaenoic acid,屬於 omega-3 脂肪酸)與 AA(arachidonic acid,花生四烯酸,屬於 omega-6 脂肪酸),對神經元的成長很重要 [2]。

雖然 DHA 與 AA 對神經元的成長很重要,但是我們並不能用簡單的原料(如 2 碳的乙烯輔酶 A)去合成它們。我們只能用 ALA(alpha-linolenic acid)與 LA(linoleic acid,亞麻油酸)來合成 DHA 與 AA。也就是因為這樣,所以我們一定要從飲食中取得 ALA 以及亞麻油酸,或者直接攝取 DHA 與花生四烯酸也可以。

如果是攝取 ALA 與亞麻油酸,由於它們只有 18 個碳,但是 DHA 為 22 個碳,而花生四烯酸則有 20 個碳,所以由 18 碳到 20-22 碳會需要延長(elongation)碳鏈以及加入雙鍵(去飽和反應,desaturation)。這其中,將雙鍵加入五號碳和六號碳的酵素 FADS1 與 FADS2,是這一整條合成途徑的速率限制步驟。

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omega-3 (N3) 與omega-6 (N6) 脂肪酸的合成。在方格裡的 20:4 是花生四烯酸,22:6 是 DHA。FADS1 為 Δ5D,FADS2 為 Δ6D。圖片來源:Linus Pauling Institute(http://0rz.tw/rO0OE)

FADS1 與 FADS2 這兩個基因以頭對頭的方式座落在人類的第十一條染色體上。最近的研究發現,這兩個基因在人類的演化史上曾出現過變異。兩種主要的變異型 A 與 D,其中 D 使得酵素 FADS1 的表現量上昇。研究團隊發現,具有 D 變異型的人,合成 DHA 與花生四烯酸的能力,明顯地比 A 變異型的人要好很多 [3] [4]。

研究團隊分析發現,兩種變異型出現的時間都小於 50 萬年;而 D 變異型與原來的基因差異較大,而且大部分的現代人都具有 D 變異型。

由於 D 變異型可以合成更多的 DHA 以及花生四烯酸,且這些 omega-3 與 omega-6 脂肪酸可刺激神經元的發育,研究團隊認為這個基因變異,使得現代人即使在飲食中未取得 DHA 與花生四烯酸(這兩種脂肪酸要從動物中取得,尤其是 DHA 要從海魚中獲取),還是可以經由亞麻油酸與 ALA(這兩種脂肪酸可由植物中取得)來合成足夠的 DHA 與花生四烯酸。

由於現代人與尼安德塔人(Neanderthals)在演化上分道揚鑣的時間大約就在 50 萬年前,研究團隊認為,D 變異型在現代人的基因中出現,是否提供了現代人在大腦發育上的優勢呢?由於具有 D 變異型基因的人可以在打不到獵物的狀況下,靠著採集到的果實、塊莖等食物所提供的亞麻油酸與 ALA,仍能合成足夠的 DHA 與花生四烯酸;這是否代表他們在歷史的智力競賽中取得較佳的優勢呢?

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由於大部分的現代人都具有 D 變異型,因此可以說具有這種變異的人的確在演化上有優勢;但是這個基因變異到了 20 世紀,似乎成了一個劣勢。

怎麼說呢?原來體內有較高的 omega-6 脂肪酸(如:花生四烯酸)會造成前發炎性二十碳烯酸(proinflammatory eicosanoids)的合成。

前發炎性二十碳烯酸 (proinflammatory eicosanoids) 的合成。可以看到, 他們都是由花生四烯酸 (AA) 來合成的。圖片來源:維基百科(http://0rz.tw/YPwTK)。

這些前發炎性二十碳烯酸的功能包括血管收縮以及血栓形成,提高了心臟病和中風的風險。

所以,原本在演化上,FADS1 與 FADS2 基因的 D 變異型,因為可以在儉約飲食狀況下仍能讓我們神經元發育良好,因此有了優勢;但是到了現代,卻因為飲食中動物性食物不虞匱乏反而成了一種缺點。

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或許,這個研究結果,也是在提醒我們,我們在數十萬、數百萬年的演化長流中,演化出的儉約基因(thrifty genes),真的不適合 20 世紀中葉以來的奢侈口味;『享福了福,福盡悲來』,清平致福,八分飽才是王道,不是嗎?

參考資料

[1] 奇普.沃特著。2011.重返人類演化現場.漫遊者出版.
[2] Darios, F., and Davletov, B. 2006. Omega-3 and omega-6 fatty acids stimulate cell membrane expansion by acting on syntaxin 3. Nature 440, 813-817.
[3] Genetic adaptation of fat metabolism key to development of human brain.
[4] Ameur, A., Enroth, S., Johansson, A., Zaboli, G., Igl, W., Johansson, A.C.V., Rivas, M.A., Daly, M.J., Schmitz, G., Hicks, A.A., Meitinger, T., Feuk, L., van Duijn, C., Oosta, B., Pramstaller, P.P., Rudan, I., Wright, A.F., Wilson, J.F., Campbell, H., and Gyllensten, U. 2012. Genetic adaptation of fatty-acid metabolism: a human-specific haplotype increasing the biosynthesis of long-chain omega-3 and omega-6 fatty acids. The American Journal of Human Genetics. 90: 1-12.

本文原發表於作者部落格

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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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

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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瘦瘦針賣到缺貨,我們卻越來越胖?揭開把你「設計」成易胖體質的超加工食品真相
PanSci_96
・2026/09/26 ・2476字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 AI 協助生成,內容經編輯審閱。

這幾年,「瘦瘦針」紅到缺貨,大家為了減肥搶破頭。但奇怪的是,我們一邊瘋狂減重,另一邊,台灣青少年的肥胖率卻在過去二十年翻了兩倍。究竟是什麼在不知不覺中把我們餵胖?這一集,就讓挺健康鄭丁靚醫師帶我們看懂,那些隱藏在日常飲食中、把你「設計」成易胖體質的超加工食品真相。

為什麼少油少鹽、控制熱量還是胖?關鍵在「加工程度」

過去的減重觀念總告訴我們:「要維持熱量赤字」、「少油少鹽少糖」。但科學家發現,人體可不是單純的熱量計算機,同樣的營養成分,包裝成不同的形式,身體的吸收和反應完全不一樣!

2019 年,美國國衛院(NIH)進行了一項堪稱「作弊級」的經典實驗。研究人員將 20 位健康的成年人關進代謝病房四周,並將他們分為兩組,提供營養素(糖、脂肪、纖維等)完全一模一樣的菜單,唯一的差別在於「食物的加工程度」:一組吃超加工食品,一組吃未加工的原型食物。兩週後兩組互換菜單,且受試者可以不受限制地無限量進食(吃到飽)。

結果令人驚訝:在吃「超加工食品」的那兩週,受試者每天不知不覺多攝取了約 500 大卡!僅僅兩週,平均胖了近 0.9 公斤;而換成吃原型食物時,同一批人卻瘦了 0.9 公斤。這證明了,即使營養素完全相同,超加工食品本身就會促使我們吃下更多。這也是為什麼 2026 年初美國發布的《2025–2030 飲食指南》將核心主軸定為「吃真正的食物(Eat Real Food)」,史上第一次將「限制高度加工食品」明確列入公共衛生指引。

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你不是貪吃,而是被超加工食品給「設計」了

為什麼超加工食品會讓我們吃不停?這要從「食物基質(Food Matrix)」說起。

完整的食物需要你咀嚼、胃部研磨、腸道慢慢分解,這些過程不是浪費時間,而是身體用來判斷「我吃飽了沒」的訊號。當食物的外殼被破壞,被打碎、提煉、甚至加入人工乳化劑重新組合後,這些飽足訊號就被破壞了。你吃得又快又順,大腦還來不及接收到「飽了」的訊號,你就已經吃過量了。

耶魯大學的 Dana Small 教授團隊曾做過一項實驗,發現受試者的大腦對「脂肪+碳水化合物」組合的食物反應最強,甚至願意花更多錢購買。但在自然界中,這種高脂高碳水並存的食物幾乎不存在(連母乳也僅有約 3.5% 的脂肪和 7% 的碳水)。然而,典型的超加工零食卻往往含有近 24% 脂肪與 57% 碳水。這意味著,當你面對超加工食品時,你對抗的不是自己的意志力,而是一場早就被食品工業精心算計好的「極樂點(Bliss point)」遊戲。

可怕的不是毒,而是排擠健康的「取代效應」

超加工食品最傷人的,其實不是它「加了什麼毒」,而是它「擠掉了什麼」。這在營養學上稱為「取代效應(Displacement)」。

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你的胃容量和每餐能吃的份量是固定的,當餐盤裡多放了一塊微波炸雞塊,就少了一口富含纖維的燙青菜。2025 年《刺胳針(The Lancet)》發表了集結 43 位國際學者的系列論文,直指超加工食品會排擠原型食物,進而增加心血管疾病與全因死亡風險。新加坡一份追蹤了 25 年的華人世代研究也指出,即便在超加工食品佔比不高的華人飲食中,攝取最多的一群與最少的一群相比,全因死亡風險與心血管死亡風險依然顯著較高。

這個危機正在台灣真實上演。根據台灣國民營養健康狀況變遷調查,16 到 18 歲青少年飲食中,原型食物佔熱量的比例,從 1993 年的 55%,下滑到 2011 年的 39%。同期間,男學生的肥胖率從 7.9% 飆升至 19.7%,翻了兩倍半。我們的下一代,餐桌上的原型食物正一格一格地被超加工食品佔據。

拒絕被綁架!奪回餐盤的三個實戰守則

聽到這裡先別恐慌,「加工」不等於「超加工」。豆腐、無糖優格、冷凍蔬菜都經過加工,它們安全且營養。真正的超加工食品是那些被拆解重組,加了各種香料、色素、乳化劑等「你家廚房不會出現的成分」的食品。

想要擺脫超加工食品的綁架,不妨從以下三個日常生活中的小改變開始:

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第一,戒除手搖飲:液體熱量不會帶來飽足感,卻會迅速拉高血糖。一杯 700 c.c. 的半糖手搖飲往往就逼近一天的糖分建議上限,加上珍珠、椰果等超加工配料,絕對是防禦力最弱的健康破口。

第二,小心超商即食品與成分表:微波便當、飯糰雖然方便,卻常暗藏高鈉與多種添加物。購買前翻到背面看成分表,台灣法規規定成分須「由含量多到少」排列。如果前三名被糖、精製澱粉、精製油脂佔據,或是有一堆你唸不出來的化學名詞,請默默把它放回架上。

第三,遠離加工火鍋料:火鍋本身是很好的水煮烹調法,但請多夾肉片、海鮮與蔬菜,少吃貢丸、魚餃、蟹肉棒等蛋白質含量遠低於外表承諾的超加工品,並減少使用高度加工的沾醬。

結語:Keep it Real,吃真正的食物

食品加工技術(如巴氏殺菌、冷鏈冷藏)讓人類得以延長壽命、對抗飢荒,加工本身從來不是壞事,有時更能幫助牙口不好的長輩攝取足夠營養。真正的問題在於,當加工的目的是為了讓你停不下來、不知不覺吃下過多熱量時,它便成了健康的隱形殺手。

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我們不需要追求 100% 完美的飲食,偶爾因為生活忙碌吃一頓微波食品也不必有深深的罪惡感。但從今天起,試著練習看懂成分表,把原本屬於土地的「真食物」一點一滴請回餐桌。記住一個最簡單的原則:如果你阿嬤都認不出它是什麼食物,那就盡量少吃點吧!

參考資料

  1. Hall KD, et al. Ultra-Processed Diets Cause Excess Calorie Intake and Weight Gain: An Inpatient Randomized Controlled Trial of Ad Libitum Food Intake. Cell Metabolism. 2019;30(1):67-77.
  2. Monteiro CA, Scrinis G, Baker P, et al. The Lancet Series on Ultra-Processed Foods and Human Health. The Lancet. 2025;406.
  3. USDA & HHS. Dietary Guidelines for Americans, 2025–2030. 2026年1月7日發布.
  4. Chen YC, et al. Secular trend towards ultra-processed food consumption and expenditure compromises dietary quality among Taiwanese adolescents. Food & Nutrition Research. 2018;62.

延伸閱讀|實證醫學專欄|循證長壽、失智預防、更年期、睡眠科學|叮噹醫師
以同儕評審論文為根據的長壽科學深度解析。睡眠科學、光線生物學、更年期醫學、認知儲備、失智早期檢測。

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真實世界的所有問題,都是跨領域問題-朱士維專訪
顯微觀點_96
・2025/09/20 ・5074字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自顯微觀點

主持台大生醫光學實驗室的朱士維,在 2023 年初兼任台大學務長。他一面落實以學生為核心的大學價值,一面持續鑽研光學與生物組織、奈米結構的互動。

近年朱士維參與的研究包含觀察「活的小鼠大腦」如何自我調節、以光激發出奈米材料的新物理性質等。這些研究登上《自然通訊》(Nature Communication)、《先進科學》(Advanced Science)等重要期刊,以尖端光學技術為腦科學、奈米材料探照未知之處。

對於生醫領域的精密光學應用,朱士維說明,光學顯微技術介於醫學造影和電子顯微鏡之間:醫學造影提供即時成像,但解析度不夠精密。電子顯微鏡可以達到奈米解析度,卻無法保持樣本活性。而持續發展的光學顯微術則開始達成快速的高解析度活體影像,讓科學家看到真實生理。

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活體顯微影像的追求不出四大方向:對比、解析度、穿透深度、速度。

– 朱士維

雙光子顯微術搭配人工智慧 追上神經生理

2024 年,朱士維領銜的台大、清大聯合團隊研發高速體積成像系統 TAG-SPARK (TAG-lens-based SPAtial redundancy-driven noise Reduction Kernel),以可調式聲學梯度變焦透鏡(Tunable Acoustic Gradient, TAG lens)結合自我監督式深度學習演算法,顯微影像成果比單用雙光子顯微術清晰 10 倍,掃描速度快上近 1000 倍。

TAG-SPARK 的聲學梯度變焦透鏡,以聲波控制特殊透鏡內的液體振動、改變折射率,使雙光子顯微光路可以在 1 秒內完成多個深度的對焦,快速建立 3D 影像。在高速體積成像的支援下,研究團隊設計的演算法利用每層平面影像間豐沛的空間冗餘(spatial redundancy)資訊進行去噪(noise reduction),讓影像訊噪比改善7倍以上。

TAG-SPARK 以不同速度對活體小鼠的腦部進行鈣離子掃描成像,可以看見在不同深度的樹突、細胞體構造以及運作時的電位變化。來源/TAG-SPARK: Empowering High-Speed Volumetric Imaging With Deep Learning and Spatial Redundancy

高速度和高品質的立體顯微影像,讓科學家以接近神經運作的速率,觀察活體小鼠的小腦動態。研究團隊以小腦中的柏金氏細胞(Purkinje cells)作為觀察目標,它們是小腦皮層唯一的輸出神經元,掌控小腦的訊號傳輸與身體日常運作。柏金氏神經細胞的樹突緻密分布於小腦皮質最外側的分子層(molecular layer),細胞體則聚集在更深處的分子層與顆粒細胞層(granule cell layer)之間,獨立形成柏金氏層。

傳統顯微方法不易穿透其深度觀察細胞體動態,若使用共軛焦顯微術,強力激發光卻容易傷害腦細胞。但雙光子顯微術在觀察活體組織時,則可以提供較深的焦平面和較低的光毒性。

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透過 TAG-SPARK, 研究團隊不僅詳細記錄柏金氏細胞動態,更發現相同的樹突訊號能導致柏金氏細胞體產生不同反應,呈現前所未見的有趣訊號模式。朱士維相信「意識是資訊的集合」,高速立體光學成像系統能讓我們看見腦中資訊的聚散,更進一步接近「何謂意識」這個世紀之謎。

柏金氏細胞卵狀的細胞體位於小腦皮層較深處,緻密的樹突則延伸至表面的分子層,因此要觀察其運作時的全貌,需要能夠快速地變換焦點深度。來源/Wikimedia

朱士維也參與由台大生科系教授陳示國領導的跨校團隊,以雙光子顯微術結合梯度折射(Gradient-Index, GRIN, 物鏡內有不同折射率的微型透鏡平行排列)內視鏡,觀察小鼠的晝夜節律神經系統的真實運作狀況。

這支結合生命科學、物理以及工程科學的研究團隊測試大腦底部「視交叉上核」(suprachiasmatic nucleus,SCN)神經細胞對光線變化的反應。在團隊中,朱士維負責提供精密顯微影像,研究活體腦神經元生理不可或缺的觀察工具。

團隊利用朱士維研發的雙光子-GRIN顯微內視鏡(雙光子顯微術搭配GRIN內視鏡),從樹突叢集的鼠腦表層看進神經細胞體聚集處。他們發現,即使樹突受到相同光訊號刺激,節律神經細胞體可能以不同的方式回應,並由複數神經元整合資訊,再行輸出訊號給下游神經元。

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研究團隊認為,在多種神經元的交織協力下,晝夜節律的神經生理呈現高度動態變化。神經細胞活動與光照的關係並非傳統想像的線性模式,而是雙穩態(bi-stability, 系統中有 2 個調節開關)的靈活調控,而單一類型神經細胞對光照的反應難以預測,生理時鐘內還有許多奧秘等待探索。

與跨領域學者合作,並非一帆風順。朱士維坦言,跨足生物學領域,他還有很多知識要補充、溝通門檻要跨越。

他笑稱,「光是合作對象經常討論的果蠅蕈狀體,我聽了 3 年才認為自己真的懂了。」對他來說,跨領域合作最重要的收穫之一,就是尊重不同領域之間的知識含量。其次,則是溝通的技術。

我維持了幾年的一知半解才了解合作對象的語言,那我務必要讓自己說出來的話非常容易理解。

– 朱士維

除了生醫應用,朱士維也在物理工程領域探索新的光學現象。他與中國、日本學者合作研究奈米材料上的非線性光學,發現與米氏散射原理相關的移位共振,能夠激發矽奈米結構的多極模態(multipolar modes)。

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透過共軛焦反射顯微鏡光路達成的多極模態,讓奈米材料展現幾項嶄新的光學效應,如更低的光學非線性閾值、光開關的訊號反轉(sign flip)、空間解析度提升等。不僅開啟了操控米氏共振的新方法,也擴張了超過百年的經典光散射理論。

以共軛焦顯微鏡觀察高強度雷射照射下的矽奈米立方體的非線性散射,上圖中矽立方體寬度為180奈米(中央圖)時,可以得到最強的移位共振效果。圖/Multipole engineering by displacement resonance: a new degree of freedom of Mie resonance.

這些精采研究涵蓋跨領域、跨國界的合作,並非巧合,而是出於朱士維的世界觀。他深信,「真實世界的所有問題,都是跨領域問題。」在大學教室裡,他也以此觀念為學生設定學習方向。

討論與實作優先的大學教育

在大一、大二的基礎課程中,朱士維就會要求學生提出研究計畫、動手進行研發。他強調,讓學生從具體而明確的問題出發,親手進行研究。在研究中遇到挑戰、企圖解決時,學生自然會尋找需要的知識。

朱士維回想,「修課學生果然從很務實的角度發想,有人的提案是『保證起床的鬧鐘』,結合物理知識和現實可行的元件,做出不會被輕易關掉的鬧鐘,讓他可以準時上課。他在學期末真的做出了這個鬧鐘。」

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朱士維認為,在豐富的現代資訊環境中,幾乎所有理論知識都可以線上學習,在教室上實體課程的必要性遠不如以往。至於實體課程最珍貴的部份是讓人當面討論、激盪想法,讓積極學習的學生們能夠聚集、交流,而非要求學生安靜聽課、被動吸收。

朱士維相信,大學教育的重要目標之一,是訓練學生主動採取行動的習慣,並讓他們知道必須主動追求,才能完成自己心中的期待。因此親自規畫、動手(腳)實踐,是他所有課程的必備基礎。

除了物理系,朱士維也在臺大創新設計學院(College of Design and Innovation,簡稱 D-School)開設課程,引導學生以「設計師」、「使用者」觀點建構自己的大學生活與生涯規劃。

朱士維特別說明,D-School 設有創新領域學士學位學程,讓學生能夠跳脫舊有領域框架自訂學習主題。讓學生能實現自己對知識的構想,或許比舊有科系分野更能適應快速變化的社會。他強調,「學生原創的課程組合,是可以得到學士學位的。」

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主修社團,副修電機

談及學習經驗,朱士維說,「我常常說自己大學主修『嚕啦啦社』,副修電機系。大學4年中至少有1年在山上過,成績排名也因此往往是後半段。」但他認為,自己重要的「能力」如溝通協調、事前規劃、親手解決問題的信念,都是在社團經歷中學到的。

朱士維回想,他在高中時參與了救國團服務隊舉辦的山區營隊,活動內容相當刻苦簡樸,但他十分羨慕服務隊成員們能住在優美山林間,心想「等我上大學,一定要成為其中一員。」

進入台大嚕啦啦社並擔任服務隊員後,朱士維不僅培養了在山野間帶隊行進的嚮導經驗,也經常為了團康活動面對群眾。他說,「服務員經常得一手掌握團隊氣氛,活動才會成功。」他回想,當年為了達到這樣的能力,投入許多時間認真練習,經過跌跌撞撞的多次嚐試,才塑造出自己的風格。

後來得到「優良導師」與多次「教學優良教師」獎項的朱士維分析,這種能力其實就是「溝通」。但是他當時並非盤算著,「有天我會成為教師,能把這種技巧發揮在教室裡。」而是對當下的任務很投入,進行一件自己真的很想做的事情,在過程中內化了這項能力。

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做學術研究不可或缺的計畫書,我也是在社團學到怎麼寫的,因為當時想申請更多經費來辦活動。朱士維

朱士維說自己「主修社團,副修電機」,但並非認為學業與成績不重要,而是希望學生投入當下自己真正想做的事情,不論是學術、社團或是其他事物,只要真心投入都會有所回報。攝影/楊雅棠

因為自身經歷,朱士維相信,讓學生能投入自己真的想做的事情,才能培養長期的能力與素養。為了帶給學生自由探索的時間與空間,朱士維也強力支持 D-School 中的「探索學習」計畫。

選擇「探索學習」的學生,不再受到學期學分下限要求,可以自行前往校園外進行探索,建構自己的志向與經驗。選擇此計畫的學生,有人加入 NGO、有人進入動物園與馬場實習,還有人搭乘無動力帆船橫跨大洋,獲得課堂中無法給予的重要體驗。

朱士維認為,親身體驗,遠比聽講的學習效果更好。而離開校園探索世界的深刻體驗,未必會讓人遠離學術。

提及學術起點,朱士維不好意思地說,當年之所以報考台大光電研究所,「是因為想要繼續參加社團,要是離開台大,社團生涯就結束了。」

研究所開學不久,921 大地震撼動台灣,中部災情尤其嚴重。朱士維聽聞大學時期經常前往、充滿熟悉與認同的南投山區也遭受重創,便和指導老師孫啟光請假,前往災區協助賑災。

朱士維回憶,孫啟光乾脆地答應他的請求,即使他離校超過一個月才回歸實驗室,也不曾額外施加壓力。經過了在南投山區鎮日搬運物資、不時目擊傷亡狀況的賑災經驗,他回到台大光電研究所時,同學們大多已在研究軌道上運作。

朱士維說,「當時我並沒有對研究成果想太多,而是想回報孫老師。因為他給我很大的彈性、研究主題又有趣,就專心投入他的計畫。想不到,幾個月後研究成果竟登上國際期刊。至今我還記得看到自己名列期刊之中的感動,也在那時開始覺得『我或許可以走學術這條路!』」

因為充滿因緣際會的生涯際遇,朱士維相信,「全心投入的事情,都會在生涯某處開花結果。比起嚴密生涯規畫更重要的,是當下的自己、周遭的人與環境,找到自己想投入的事情。」

從「好好生活」出發的學務長

一進入朱士維的學務長辦公室,能看到一幅對聯「好好生活。感恩助人」,書桌後方則並列三幅春聯「好好生活」、「好好吃飯」、「好好睡覺」。

朱士維說,學務處實際上掌管學生除了成績外的所有在校事務,而大學除了學業成績外,更應該協助學生培養人格和價值觀。因此,他將學務處設定為學生在校期間的支持與賦能來源。

台大學務長辦公室中的朱士維。攝影/楊雅棠

台大學務處網站上的理念「好好生活,吃飯睡覺運動交友;感恩助人,學生互助回饋社會。」就是朱士維為學務處設立的目標。他強調,將學生推向世界,能夠與自身、週遭人事物建立真實的連結,是比追求課業成績更優先的大學價值。

因此他規劃學務處擴改善硬體設施、增加軟體服務,從社團資源、宿舍、餐廳、心輔中心到新的經濟支持計畫,提供學生友善、包容的生活環境。他期待學生能夠在生活中感到安定,進而察覺值得感恩的事,得到感激並協助他人的能力,形成助人的循環。

朱士維回想,自己在台大的社團與求學經驗都讓他心懷感恩,包括在台大擔任教師也是非常幸運的事。現在,他致力為台大學生建立可以安心探索自我與真實世界的大學環境,以充滿感動的學習經驗,取代孤獨且競爭激烈的人生賽道。

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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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