• 撰文｜呂杰翰、黃鈺珊、呂萱萱；美術編輯｜林洵安

超解析 3D 層光定位顯微鏡

中研院江安世院士、應用科學研究中心陳壁彰助研究員，共同開發了「透化層光定位顯微鏡」，一次解構果蠅全腦的多巴胺神經網路，並可「看見」記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生，此新技術可望揭開大腦記憶機制的神秘面紗。研究論文已於去（2019）年 10 月 18 日刊登在《自然通訊》（Nature Communications）。跟著研之有物一起來了解！

一個細微的動作、一絲情緒起伏，都是由千絲萬縷的神經網路，以及大量訊息傳遞的化學分子交錯作用的結果。早期心理學家要解析人類的大腦意識活動，必須對照研究對象的夢境和生活史。然而，大多數人一起床夢境就忘掉八成，還要將夢境和更久遠的童年記憶連繫起來，說佛洛伊德有多心累都不為過。

如今神經科學家有螢光蛋白與基因工程等工具在手，可先給予模式生物（如果蠅）特定刺激，然後用螢光定位腦內參與活動的生化分子（如某些與記憶有關的蛋白質分子），了解刺激前後分子如何重新分布，以此推測它們在腦部活動中所扮演的角色。

• BUT！因為可見光無法穿透較厚的組織，過去研究者只能將腦組織切成薄片，才能用顯微鏡觀察。但切片會破壞大腦的整體性，無法忠實呈現完整的神經結構。

國立清華大學腦科學研究中心、中研院院士江安世與中研院應用科學研究中心助研究員陳壁彰，合作研發出可透視果蠅全腦的超解析 3D 層光定位顯微鏡，並利用化學方法把果蠅大腦變「透明」、可見光能通過，終於得以窺見果蠅腦部深處被螢光標定的單分子神經，藉此建構果蠅全腦神經網路地圖。

去年團隊藉著這項技術，「看見」記憶蛋白在大腦深處特定神經細胞突觸上的新生，初步揭開大腦記憶的神秘面紗。

精彩故事，是這麼開始的……

解析度、廣度，統統都要！

先來說說傳統顯微鏡的問題！傳統光學顯微術能夠解析的最小距離，大約 250 奈米左右。也就是說，如果兩個發光分子之間的距離小於這個極限，因為光波的繞射特性會使分子影像變得模糊。這個鑑別距離極限，定義了光學成像的「解析度」。

傳統光學顯微術的「繞射極限」，硬生生地限制了科學家一窺腦部全貌的夢想。

大腦神經突觸的大小約在 20 到 40 奈米之間，與腦部分子活動相關的神經結構尺度也在數十奈米。可想而知，運用傳統「粗線條」的光學顯微術觀察大腦，一定會有「見林不見樹」的問題：即使可知大致的神經走向，也無法得知細微變化。但魔鬼，就是藏在細節裡啊~~

另一方面，傳統顯微鏡還有視野廣度或視野大小的問題。神經突觸的大小是果蠅大腦 ( 約數百微米 ) 的數千分之一。想要解析特定分子在大腦的分布，困難度就像用小小無人機空拍一個籃球場，還要定位籃球場上每隻螞蟻的正確位置。

但在顯微鏡的世界裡，解析度和視野廣度本是兩個極端，想要一種技術、兩種滿足，必須找到非比尋常的解決之道。

關關難過關關過

首先，這種顯微技術必須能夠定位腦神經細胞中個別分子。衡量各種超解析顯微術的優勢與適用範圍，「單分子定位顯微術」（single molecule localization microscopy) 具有數十奈米等級的空間解析度，得以鑑別相距約 20 奈米的分子，恰好符合神經生物學家對解析度的要求，無疑是首選工具。

再者，因為神經網路遍佈全腦，並非僅侷限在大腦的表層，此顯微術必須能看得又深又清楚，才能重建果蠅大腦完整的三維影像，提供全面而精密的分子地圖。近年熱議的「層光顯微術」( light-sheet microscopy ) 可快速取得大範圍樣品的影像，成為不二首選

有關層光顯微鏡的介紹，請見研之有物另一好文〈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〉。

再加上，江安世院士團隊透過生物組織澄清技術，運用化學方法讓果蠅腦變透明、能讓可見光通過，然後以層光掃描透明大腦，輔以上述單分子定位顯微術，即可在短時間內偵測大腦內的個別分子位置，稱為「透化層光定位顯微鏡」。

跨領域合作，打開大腦的潘朵拉盒子

有了既定的策略，抽象的概念立刻轉化為一個跨界、甚至跨國的技術整合問題。

陳壁彰助研究員與江安世院士合作，將一個由國家實驗研究院儀器科技中心打造的特殊顯微物鏡，整合入實驗室既有的掃描式貝色層光顯微鏡 (Scanning Bessel beam light-sheet microscope)，建構出針對透明化樣品最佳化的超解析顯微鏡。

並應用日本東京大學 Yasuteru Urano 團隊開發的新型閃爍螢光染劑 HMSiR 標定腦內分子，讓每一個參與大腦記憶生成的分子，發出清晰且明亮的光訊號。

論文第一作者、現任國立清華大學生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安興奮地說：身為一個生物學家，使用自己建造的顯微鏡系統，就像打開潘朵拉的盒子，突然什麼都變成可能！

因為商用顯微鏡大多有鏡頭選用、解析度等限制，尤其層光顯微鏡在鏡頭選擇上更是有諸多限制。

那麼，這項新的顯微鏡系統，會對神經科學帶來什麼改革呢？

首先，神經訊號的傳遞仰賴神經突觸電位及神經傳導物質的傳遞，想要了解大腦的活動，必須解析突觸上的細微變化，如蛋白質的生成。以模式生物果蠅為例，神經突觸只有幾百奈米，過去只能仰賴電子顯微鏡。

但電子顯微鏡的樣品製備非常繁複，並需要將組織切片，無法呈現完整的神經結構，一次能看的樣品範圍也很小。電子顯微鏡的另一個問題是「很花時間」。美國珍利亞農場研究園區 (Janelia Research Campus) 所做的全果蠅腦電子顯微鏡連續切片影像，單一個果蠅腦就需花費 16 個月拍攝完成，再經過無數的工程師進行影像處理，不利於統計分析。

透化層光定位顯微鏡，可在比細胞大將近一萬倍的組織（如果蠅大腦），定位其中所有蛋白質分子，進行果蠅全腦的攝影。而且全腦攝影可在一天之內完成，期間僅需移動樣品四次，大幅降低機械移動造成的誤差與後續影像處理的複雜性。與傳統的顯微技術比較，新技術能在合理的時間內拍攝大量樣品，即時提供生物學家更大的統計樣本。

去 (2019) 年初已初步告捷！新的顯微技術一次解構果蠅全腦的多巴胺神經網路，「看見」記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生，可望揭開大腦記憶機制的神秘面紗。

看見記憶、解密大腦疾病

昆蟲腦部的蕈狀體分布了一種囊泡單胺運轉蛋白質 (vesicular monoamine transporter)，與昆蟲的嗅覺與記憶功能息息相關，是一種在腦部負責訊息傳遞的重要分子。只要標定這種蛋白質分子的精確位置，即可從中歸納出與記憶有關的分子機制。

本次研究發現：在讓果蠅進行特定的記憶訓練後，只有特定的神經突觸會增加囊泡單胺運轉蛋白質表現，顯示這些神經在記憶過程可能肩負重大功能。

藉由類似的實驗，神經科學家可以釐清神經變化和特定腦部活動的關聯，進一步理解神經在腦部記憶生成的機制，以及神經可塑性 (placiticity) 的變化，破解大腦記憶之謎。

另一方面，由於鼠腦被普遍使用於與人類腦部疾病有關的研究，未來江安世院士研究團隊也計畫以此探索老鼠腦，揭密與蛋白質分布有關的機制，對於解答部分人類腦部疾病做出貢獻！

「目前為止，我們已經觀察果蠅在訓練前後的神經活動，並且能夠分辨尺度在數十奈米左右的變化，這對釐清分子在神經可塑性中扮演的角色提供很大的幫助。」朱麗安期許未來：「十年後的目標是將影像解析度提升到 10 奈米，並試著應用於活體，即時觀察神經在腦部活動下的重塑，終極目標是理解學習行為的詳細機制！」

也許不遠的未來，新的顯微技術可以觀察生物學習當下發生的每一個細微腦部變化，解密人之所以為人，是如何從經驗學習成長。

延伸閱讀

• 陳壁彰個人網站
• 江安世個人網站
• 朱麗安個人網站
• Rapid single-wavelength lightsheet localization microscopy for clarified tissue
• 灑下百道層光，一窺微觀世界的生命律動──晶格層光顯微鏡
• 前瞻生物顯微技術交流版

本文轉載自中央研究院研之有物，原文為《「看見」大腦記憶的生成—-超解析 3D 層光定位顯微鏡》，泛科學為宣傳推廣執行單位

• 聲音的魔法！說話聲音可以提升別人對你的好感度？
• 雜物OUT！斷捨離的同時，也能整理思緒帶來好心情？
• Outdoor 戶外魂，注意！收納成手掌大小的野餐墊！登山健走，防水防磨，隨身攜帶，說走就走～
• 到泛科市集結帳輸入 panscihere 優惠碼，立即省 60 元
• 咖啡磨豆的顆粒大小、水溫的高低、水流的速度......都是決定咖啡風味的影響變數，手沖咖啡有如一場科學實驗
• 在低溫下萃取而成的冷萃咖啡(Cold Brew Coffee)，因萃取時間長而著稱，風味醇厚、酸度低，口感馥郁，快看看再懶也能成功的冷萃秘訣～

「他們沒有問我性別，認為寫走私的就是男性吧，在論文刊出首頁用『His Mailing address…』來標註我的聯絡方式。」

如同這樣的性別刻板印象，投入邊境研究也是一個不斷突破刻板印象的歷程。

孤軍以外消聲的生命故事

1992 年，張雯勤隻身在泰北旅行，偶然到了泰緬邊境的一個村子，那裡正是臺灣媒體經常報導的泰北難民村之一。

這段歷史得追溯到 1950 年初。當時，一批一千多人的國軍殘餘部隊，在雲南節節敗退後進入緬甸撣邦，抵達與泰國為鄰的大其力。經過集結、招兵買馬，1951 年這批重整的軍隊在撣邦勐撒成立了「雲南反共救國軍」。其後的故事即是一般人所熟知的「異域孤軍」戰史——經歷兩次撤台，部分軍隊落腳泰北邊境，當地人稱作「國民黨村」。

然而，在被歌泣的男性化、黨國化歷史背後，隱藏著邊區遊移政治與無數難民的生活史。

最初，張雯勤帶著既定印象從孤軍將領訪談，研究這些「雲南移民」。但在村子住了大半年，她發現日常接觸的並不是將官，反倒都是大爹、大媽、大嬸、大叔這樣的平常百姓。「臺灣報導裡全是忠貞愛國、異域求生的孤軍，這些普通人完全沒聲音，但他們的生命故事非常豐富。」

於是，張雯勤用了兩年，走訪二十四個邊境村落，此後又一路延展到緬甸，展開二十多年以平民為視角的邊境研究。

越界流動，是歷史上的邊境常態

自古以來，從雲南、緬甸至泰北即常有大批人口來來回回遷移，多元族群交織著不同政治勢力，在這塊廣衾的土地上脈動著爭戰、交易營生、多元文化的習作與交流。1949 年因國共內戰及往後二十多年中國政治運動，造成大規模跨境遷徙。

在 1961 年「二撤」之前，留在緬甸的國民黨軍隊主要有五支，其中三軍和五軍最終沒有撤回臺灣，集結於泰北。1970、80年代，他們協助泰國政府剿滅泰共，爾後取得泰國國籍定居當地。

然而在這些「國民黨村」裡，軍人只是一部分，大部分其實是跟著軍隊逃難的眷屬及一般難民。邊境村落或周遭，包含有雲南漢人、雲南穆斯林、阿卡族、佤族、儸黑、傈僳人等各式族群，彼此用不同語言交流。「我很佩服這些大媽，買賣東西的時候，遇到阿卡人，就講阿卡話，遇到百夷人，就講百夷話。」張雯勤說。

平民耕地、做小生意謀生，撤退至緬泰的國民黨軍隊也亦商亦軍，軍隊找商隊馱運物資，商人仰賴武裝保護。對於難民來說，同樣如此，軍隊既保護也剝削他們。於此同時，帶兵的軍官也利用騾馬往返泰緬馱運「黑金」——大煙（生鴉片）。

刀片上是老闆的，刀片下是我們自己的

從我們社會的眼光來看，毒品似乎萬惡不赦，但回歸到當地生活脈絡，這只是平民百姓的一種生計。許多人歷經顛沛流離，沒有身分、沒有錢，最重要的目標皆為了「努力活下來」。毒品、走私因而成為邊境的生存日常。

「他們的童年記憶裡，從小就生活在大片大片的罌粟花田。爺爺躺在蚊帳裡抽煙，但不是每個人都能抽大煙，只有老人家有權利，年輕人頂多是工作累了，抽個幾口。」

現實中備嘗艱辛的生活，經過記憶轉化後的敘事卻呈現出一種近乎迷人的日常：罌粟花很美，年輕人為雇主做工「刮煙」，一邊刮一邊唱歌。罌粟一顆一顆，用刀子劃下去，汁液才會跑出來。劃也不是亂劃，有一定技巧。劃完以後，白色的汁液流出，不能馬上去刮，隔天凝結成暗褐色，才能用一把彎彎的刀刮下來，在刀片上慢慢累積，就成了生鴉片。

「他們說，刀片上是老闆的，刀片下就是我們自己的。」因為汁液大部分留在刀片上，少量落在刀片下，一點點攢起來可以賣錢，這也是一種酬勞的給付方式。

毒品議題龐大而複雜，牽涉跨國政治、經濟與利益集團的輸送角力，甚至不乏國家政府涉入其中；但從底層百姓的角度，罌粟田是人們熟悉的生活記憶，採大煙是從小到大的日常勞作。

對張雯勤來說，這也正是邊境研究的重要關懷，在傳統國家中心的分析視角外，看見每個真實的個別生命。她擅於採用敘事書寫方式，爬梳自 1949 年以後，雲南移民從中國西南逃難到緬甸，部份移民又從緬甸遷居他國的歷史，以及他們從事的耕作和跨境商貿。

這些人的生命和動亂時代交織在一起，相對邊緣不被看見，他們怎麼面對生命處境，掙扎、奮鬥、存活下來？我要做的，就是用說故事的方式書寫出來。

民間「影子經濟」：馬幫到摩托車車隊

除了戰事逃難，經濟營生也讓跨境成為邊界常態。雲南多高山，長途經濟活動必須依靠騾馬。由於在山上形單影隻不安全，容易遇到強盜劫匪，商人便集結起來形成了馬幫，這是自古中國西南獨特的商隊組織。

張雯勤提到，1962 年尼溫軍政府上台，隨後實行國有化經濟體制，嚴厲禁止人民自由行動與私有交易，造成緬甸經濟迅速崩解，大量民生用品必須仰賴泰國走私；而進行地下貿易的主要族群，即為定居兩地的雲南移民。

「雲南移民在泰緬邊區的馬幫貿易，雖然奠基於大漢中心主義『走夷方』的文化傳統心態，然而實踐過程呈現不同社群間互助、衝突與協商，突顯邊區特有的地理政治、經濟與文化主體性，以及這個經濟活動內涵的複雜規範和知識。」張雯勤分析。

時代改變，跨境貿易的方式也在改變。

1980 年代，汽車運輸漸漸取代原有馬幫，往來中緬與泰緬邊區，2000 年到 2014 年更出現「摩托車車隊」，穿梭於上緬甸與雲南邊城瑞麗。過去，馬幫由頭人帶領，策劃路線與行走時間，在特定地點向叛軍或官方上稅；交通工具改變了，當代商隊同樣繼承這些「地下貿易規則」。

以緬北摩托車車隊來說，一個車隊約五至二十人，大家先坐車到雲南瑞麗，到認識的摩托車商店買車。通常一個騎士騎一輛、帶兩輛（拆解成零件），厲害的能帶上四輛！

回緬甸不能走正規大路，要趁夜翻山越嶺，路況好的時候，六小時就能抵達緬北臘戌，一路上過村則需要付費給警察。清晨五、六點，臘戌的摩托車市集擠滿了人。除了賣車的，還有販賣偽造車牌的攤位，貴一點用鐵片做，便宜陽春版則是塑膠材質製成。

「我的摩托車車隊研究主軸，一方面引用地下經濟與日常政治理論，分析這個走私行業的運作規則與組織網絡。另一方面，我將它與過去中國西南與高地東南亞之間的長程馬幫貿易，進行比較對照，兩者在結構運作上高度相似，都是根基於地方知識與社會網絡的助因。」張雯勤談到。

她進一步分析：「我因此主張，當今中緬摩托車走私並非隨意運作，而是延續了歷史上長途馬幫貿易的組織精神；但不同的是，當代摩托車走私打破了馬幫貿易的性別專斷（只有男性從事），同時吸納兩性。」

中緬泰的邊境貿易存在已久，民間百姓經常跨境往返。雖然 1950 到 1980 年代中緬邊界關閉，但私下邊境貿易仍然存在，交易的物資包括許多日常用品：農產、醃豬肉、野生動物、熱水瓶、藥材、豬油、鹽巴、被單、枕頭套、膠鞋、布料、熱水瓶、腳踏車，以及貴重的玉石、紅寶、柚木等。

一位玉石商人曾如此形容緬甸：「賣米不合法，賣鹽不合法，賣什麼都不合法，那還可以做什麼？只能走私啊。」這些國家法律不認可的交易，一般被稱為「非法走私」；然而張雯勤認為，用「影子經濟」（shadow economy）或「非正式經濟」（informal economy），更能理解在國家治理視角之外，邊民們為了生存，遊走穿梭邊境的自主貿易。

無論國界是否封鎖、政治角力如何劇烈，平民百姓手無寸鐵，唯能在檯面下運用常民強韌的生存力量，對抗突破國家政體的限制。

大起大落的血淚玉石夢

在跨境貿易經濟鏈裡，普通人民、不同的叛軍武裝團體、政府官員、軍隊等，都共同參與這個地下商業活動。執法者也是違法者，合法與非法關係錯綜交織。

緬甸最著名的玉石貿易，亦是如此。緬甸玉石開挖已有數百年，過去挖玉石叫「挖洞子」。依照傳統，找到未被開採之處，插個樹枝示意為有主之地，就能以簡單的器具挖掘。

玉石產於克欽邦，是叛軍的勢力範圍，在尼溫主政的社會主義時期（1962-1988），雖然政府禁止私人開採，人民依舊冒險盜採。但緬軍和叛軍經常開打，挖掘玉石非常危險。到了 1990 年代初，緬軍和叛軍和談後，由政府接手管轄玉石場，商人必須向政府標地開挖，挖到玉石後上稅，再經過公盤買賣。不過，地下交易走私仍未消失。

窮人沒錢參與標案，常常聚在玉石場，一等商家把廢棄石頭倒出便蜂擁而上，幸運的或許就能找到被錯過的玉石。但採石如同賭命，由石頭堆起的「山」極不穩固，經常崩塌，傷亡慘重。張雯勤回憶看過的「山崩」影片，滿心不忍地感嘆：「在那麼不安全的社會，你得要用生命去營生。」

在玉石貿易網絡研究上，張雯勤打破既有華人關係研究的迷思，這些迷思強調華商成功源於人際關係的信任、忠誠、和諧。但她切入日常政治與法律層面，指出商貿網絡中組織性層次及規範，並藉由這個研究，提出跨越國家疆界、法律，從地區特性、歷史情境去追踪民間跨境能動性。

沉默卻堅韌的邊境女人們

性別關係是張雯勤的另一主要課題。「女性移民經常被忽略，尤其是具有軍事背景的雲南移民團體，多數報導、研究只集中在軍事與走私活動，婦女如何在不斷遷移的過程中，扮演日常生活實際供養者與文化意義延續者，卻被視而不見。」

論文中，張雯勤以一位段大嬸的生命故事，爬梳冷戰時期在紛亂的泰緬邊區，女性如何因應複雜的政治軍事生態。她們一方面穩定了家中的經濟，又成功支助男性出外打仗或跑馬幫過程所需的定點補充。論文處理了馬店與雜貨店的經營──這是雲南移民婦女在長程馬幫貿易上，不被看見的經濟角色。

2010 年，張雯勤到泰北邊境的村子田調，剛巧就住進了段大嬸媳婦開的民宿。幾日的停留，張雯勤與段大嬸一起剝著大蒜，聽著她的生命故事。

段大嬸是雲南漢人，少時與家人隨國民黨軍隊輾轉逃往緬甸、泰國。她結過兩次婚，都是部隊軍人，也都早早離世，留她一人流離遷徙，獨力撫養孩子。沒了丈夫，一個女人在邊境村落要靠自己謀生立足，艱辛可想而知。還好段大嬸很有生意頭腦，她買騾馬馱運貨物到少數民族村販賣，後來又開起了馬店和雜貨店，接待往返泰緬的馬幫商隊。

但邊境的生活永遠充滿挑戰，一遇戰事，門來不及鎖就得逃命。有一次戰事又突然爆發，當時下著傾盆大雨，段大嬸抓了雨衣就逃，沿路頭上是盤旋的飛機，身旁是落下的子彈。幾天後，當她再返家才發現鋪子裡的東西全被軍人拿走了。但別說財物，在那樣混亂的時代裡，平民百姓只能在縫隙裡拚命求生，活下來已是大幸。

邊境村子如同段大嬸這樣的女人很多。男人無論做了什麼、數年未歸，只要回家，女人還是必須接納他們。傳統性別的限制與突破，就如同邊境日常的曖昧與多重性。

因為環境險惡，性別限制得以被打破，女性在輾轉遷徙中獲得更多自由與賦權空間，但並不代表她們能完全擺脫傳統框架。

投入田野近三十年，張雯勤以人類學為根基，結合歷史學的深度，進行跨國界多點的田野研究。她從邊境百姓的遷徙著手，透過「非正式」的邊境貿易，梳理跨境流動的曖昧與多重性。

她的研究瓦解了「合法」與「非法」之間的界限，突破由國家法律先行的刻板印象，並提出「跨境民間」的概念，來理解這個區域不曾中斷的民間跨界與流動。

• 聲音的魔法！說話聲音可以提升別人對你的好感度？
• 雜物OUT！斷捨離的同時，也能整理思緒帶來好心情？
• Outdoor 戶外魂，注意！收納成手掌大小的野餐墊！登山健走，防水防磨，隨身攜帶，說走就走～
• 到泛科市集結帳輸入 panscihere 優惠碼，立即省 60 元
• 咖啡磨豆的顆粒大小、水溫的高低、水流的速度......都是決定咖啡風味的影響變數，手沖咖啡有如一場科學實驗
• 在低溫下萃取而成的冷萃咖啡(Cold Brew Coffee)，因萃取時間長而著稱，風味醇厚、酸度低，口感馥郁，快看看再懶也能成功的冷萃秘訣～