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當科學研究被用來討論政策制定,容易搞錯些什麼?關於瘦肉精傷腎的本土研究解讀

廖英凱
・2020/10/25 ・5213字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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文/廖英凱、蔣維倫、雷雅淇

2020 年 8 月 28 日總統蔡英文宣布將擴大開放美國牛肉和含有瘦肉精「萊克多巴胺 (Ractopamine) 」美國豬肉的進口,引發了社會許多的議論。為此,立法院衛環委員會於 10月 12日召開 「政府宣布開放含萊克多巴胺豬肉進口,對國人健康之影響與危害」公聽會;席間有公聽會參與者引用中國醫藥大學為主的研究團隊所發表的期刊論文*,該研究以果蠅為模式動物做實驗,發現被餵食萊克多巴胺的果蠅腎臟結晶增加、攀爬能力減弱、壽命縮短。

後續許多新聞報導團體也跟著引述這篇研究,原始研究團隊並沒有人出來回應。這篇在公聽會後很有存在感的研究,到底說了什麼?真的這麼具有指標性嗎?可以用作政策討論參考嗎?

萊克多巴胺對腎臟細胞與果蠅的研究怎麼做?

近期許多新聞都提到的這則萊克多巴胺具生殖毒性且會降低果蠅壽命的研究,是台灣為數不多針對萊克多巴胺對生物影響的本土研究,其出自 2015 年由中國醫藥大學為主的研究團隊所發表的一篇期刊論文 Potential genitourinary toxicity and lithogenic effect of ractopamine(萊克多巴胺對泌尿系統的潛在毒性和結石作用),該論文刊載於由斯洛伐克全國農業和食品中心 (Národné poľnohospodárske a potravinárske centrum) 出版的期刊 Journal of Food and Nutrition Research(食物與營養研究期刊),這是該國第一本以食品為導向的科學期刊,並被收錄於 SCIE、SCOPUS、Current Contents 等重要文獻索引資料庫中。

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該研究主要運用兩種實驗方法:其一為利用人、犬、小鼠等哺乳動物的泌尿生殖細胞,將細胞置於含有萊克多巴胺的不同濃度環境中,利用 MTT 試驗法(MTT assay,也稱細胞存活率分析),測量細胞隨時間變化的存活率。MTT 是一種可以被活細胞粒線體內膜中的琥珀酸去氫酶代謝掉的化合物,當細胞死亡時,環境中的 MTT 不會再被代謝,因此透過觀察MTT濃度的改變,可以推估細胞的存活率。

MTT 試驗法 圖 / Shinryuu

該研究發現,萊克多巴胺會顯著減少 SV40 MES13(腎絲球間質細胞)與 SV-HUC-1(人類輸尿管上皮細胞)這兩種細胞的存活率,但對其他泌尿生殖細胞(HK-2/人類腎臟細胞株、MBT-2/鼠膀胱癌細胞株、MDCK/犬腎臟細胞株)則未觀察到影響。

研究中的另一個實驗方法,則是讓果蠅攝食萊克多巴胺,解剖觀察果蠅的馬氏管內的結晶狀況。馬氏管 (Malpighian tubule system) 是節肢動物排泄與調節滲透的主要器官。研究發現萊克多巴胺會增加果蠅體內草酸鈣 (CaOx) 的結晶。由於草酸鈣是尿結石的常見成分,因此研究團隊認為應該留意人體若長期攝取萊克多巴胺,有可能產生的不利影響。該研究也量測了果蠅的爬行能力與壽命,發現萊克多巴胺會使果蠅爬行能力(趨地性)下降,平均壽命也顯著減少。

另一個研究方法,是餵食萊克多巴胺後,解剖觀察果蠅的馬氏管內的結晶狀況。 圖 / Wikimedia

問題不在研究,而在解讀!

雖然此研究以實驗的方式證成了萊克多巴胺對細胞及生物體的不良影響;但若要將研究結論運用於目前萊克多巴胺豬肉進口的政策辯論,仍有研究方法的關鍵差異。

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研究方法之一如前文所述,透過觀察萊克多巴胺對多種泌尿生殖系統細胞的影響,發現會增加 SV40 MES13 與 SV-HUC-1 這兩種細胞的細胞毒性。然而該實驗是將細胞放置在在萊克多巴胺濃度為「0.9-60 μg/mL」的環境中 24 小時,換算濃度單位以 0.9-60 ppm (900-60000 ppb) 來表示。

此濃度對比起目前法規針對肉品的殘留容許量為 0.01 ppm (10 ppb) 或 0.04 ppm (40 ppb) ,其濃度僅為實驗環境的 1/90 – 1/6000。在符合既有法規的狀況下,實在難以相信人體的特定部位,會有如此長時間且高濃度萊克多巴胺殘留。因此,該研究中的泌尿系統細胞研究成果,難以應用於今日的政策辯證。

實際實用肉品的場景與實驗研究仍有差異。圖 / fxquadro

研究方法之二,是觀察到果蠅長時間攝食低濃度 (10 ppb) 長時間(21天)的萊克多巴胺會降低攀爬能力並縮短壽命。但研究方法中是直接將萊克多巴胺添加到果蠅生存的培養基,使果蠅攝食的所有物質,都含有萊克多巴胺。在國人的飲食情境之中,也遠不可能每一口食物每一杯水都含有萊克多巴胺。因此該研究結果仍應視為一種實驗室情境的極端情境,尚待更全面的研究才能應用於真實社會的議題辯證。

物種間的差異也是考量的重點,與人類越相近的物種,如哺乳動物、脊索動物的研究成果,通常能更準確預測人體的反應。該研究團隊也提及這則研究的研究限制,會受到使用細胞和無脊索動物,而無法完全代表人體的影響。如 JECFA、FAO、WHO 等國際組織在制定規範時,也多以使用豬牛馬等大型哺乳動物,以及常用做實驗動物的小鼠、兔的研究回顧為主。

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此外,該論文中也有一例略顯尷尬的失誤,論文第一段中引述 WHO 針對萊克多巴胺的每日暴露量為 1 mg/kg(每公斤體重一毫克),但正確數據應為 1 µg/kg(每公斤體重一微克),兩者足差了一千倍⋯⋯。因此,若要利用該研究成果,來理解萊克多巴胺危害,並推敲合適的政策倡議,需非常留意超越研究範疇的過度解讀,而導致的謬誤和恐慌。

關於萊克多巴胺,百家爭鳴的動物研究

果蠅實驗由於成本較低且研究時程較快,常被應用於開發新興研究主題的前導實驗設計。但由於人類和果蠅的物種差距其實非常遠,如:果蠅等昆蟲類未發展出腎臟,實驗裡提及的馬氏管雖然具有主動運輸離子、調解水分的能力,但仍然不適合直接當作和人類腎臟相等。國際上也較少見利用果蠅研究萊克多巴胺的研究,較常見的則是豬、羊、牛等哺乳動物。

與萊克多巴胺有關的的動物實驗較常使用哺乳類動物。圖 / Stramyk

下文中摘錄表列利用不同生物的萊克多巴胺研究,與其研究簡要關鍵發現:

  • 小鼠:K. A. Page 等人在 2004 年針對萊克多巴胺和克倫特羅 (clenbuterol) 對小鼠脂肪組織的研究發現瘦肉精加速、增加了脂肪組織的凋亡,可能可佐證瘦肉精在畜牧業中的功效。
  • 大鼠:E. A. Ricke 等人在 1999 年利用大鼠的研究發現,萊克多巴胺飲食可以減少大鼠的體脂肪;同樣是本土研究的陽明大學藥理所何靖凱和蔡東湖等人,在 2014 年利用大鼠靜脈注射萊克多巴胺來研究在各臟器的分布,則發現萊克多巴胺在動物體內各臟器的濃度分佈如下:腎 > 肺 > 脾 > 心 > 肝 > 肌肉 > 血漿 > 腦。
  • 狗:M. J. Yaeger 等人在 2012 年利用高劑量萊克多巴胺,研究對狗的心肌毒性。發現當狗口服1 mg/kg 萊克多巴胺時。9 隻狗有 7 隻出現心律不整。解剖後可發現心肌壞死症狀。
  • 豬:J. E. Dalidowicz 等人在 1992 年針對萊克多巴胺在豬、狗和大鼠中的代謝研究,發現豬在攝食第一天後就能消除將近85%的萊克多巴胺。而萊克多巴胺代謝物,都能在三種動物的肝、腎組織中被測得;J. Pleadin 等人在 2012 年針對萊克多巴胺停藥後,在各臟器的殘留量研究發現,停藥後第 1 天,萊克多巴胺在腎臟的殘留濃度最高,其次依次為肝、心和腦;肌肉則未能檢出。停藥後第 8 天,幾乎無法檢測到萊克多巴胺;J. N. Marchant-Forde 等人在 2003 年針對豬行為的研究發現,豬食用萊克多巴胺後,對環境壓力的敏感度提高,而導致豬隻的行為受到影響。

眾多的動物研究成果揭示了萊克多巴胺對生物體的複雜影響樣貌。我們也可以從多元的動物研究成果,得到精進研究設計的啟發,例如 C.N. Aroeira 等人在 2019 年的研究發現,餵食豬隻萊克多巴胺 28 天後,尿液的萊克多巴胺濃度始終在 1.35 µg/L 以下,對比起本次中醫大研究中,細胞實驗環境的 900-60,000 μg/L,似乎更該聚焦於更低濃度萊克多巴胺所細胞造成的影響,才能反映國人實際攝食可能遇到的危害。

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研究能告訴我們很多事,但限制也不少

由於萊克多巴胺所引發的高度關注,近期還有許多與萊克多巴胺的研究文獻被各種引述與運用做為政策倡議的根據。例如一篇 Exposure to Ractopamine Induces Behavioural and Reproductive Alterations in Zebrafish (Danio rerio)(暴露於萊克多巴胺會引起斑馬魚的行為和生殖變化) 研究指出,斑馬魚暴露在高濃度萊克多巴胺的環境中其存活率會降低;一篇 Dietary ractopamine supplementation of pregnant sows: what are the impacts on the neonate?(懷孕母豬的飲食添加萊克多巴胺:對新生兒有什麼影響?) 則是將高濃度萊克多巴胺飼料餵食妊娠中的母豬,觀察新生豬仔的健康狀況,發現會有降低活力、減少血紅蛋白濃度、增加低密度脂蛋白等不良影響。

我們必須理解,這類研究多應用高濃度萊克多巴胺,可說是一種實驗室環境下的極端狀況,具有開創新研究領域的前瞻性,但並未運用食品安全和毒理學中,強調「劑量決定毒性」的重大概念。在作為政策倡議的依據時,必須特別避免過度解讀。如同本文介紹的泌尿生殖細胞與果蠅研究,研究中也明白表示:「本研究仍有限制,我們使用的是無脊椎動物,其反應不能等同於人類 (However, there are some limitations to this study. We used invertebrate animals and cells that may not completely represent the effects in humans.)」。

食品安全是一個與風險高度有關的科學議題,面對風險的觀點,台大毒理學研究所姜至剛教授曾提出「食品安全,必須用風險分析做為共同溝通的工具」,而風險分析必須以科學為基礎的「風險評估」;政策為基礎的「風險管理」和持續交換資訊與觀點的「風險溝通」共同構成。

因此,面對萊克多巴胺肉品進口議題,我們當然需要關注發現萊克多巴胺有不良影響的研究,但也需要了解這些研究適用的證據力、解釋範疇與極限,對於尚有不確定性的科學研究,也應該回顧不同理論典範與相異結論的研究,梳理出當代學術社群的共識、觀點與未知。還要更宏觀的考量與規劃現實可行的政策風險管理。既有針對萊克多巴胺的研究與規範也並非毫無雜音,如本文作者之一在《科學月刊》「美豬『萊』襲!以CODEX、JECFA作科學證據行不行?」一文中,也曾回顧 JECFA 和 CODEX 的立論依據,以及其他研究組織不願採信的研究和觀點。

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唯有透過更全面性的文獻回顧與研究設計,才有可能為一個社會性科學議題的是不是、能不能、該不該,做出最有利於國人、國家、人類,或是地球物種最有利的決策。

參考文獻

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廖英凱
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非典型的不務正業者,對資訊與真相有詭異的渴望與執著,夢想能做出鋼鐵人或心靈史學。 https://www.ykliao.tw/

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AI 可以設計散熱,但誰敢讓它出貨?林唯耕談算力背後的物理現實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/08/20 ・2819字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 高柏科技 合作,泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時,曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏,那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓,引來眾多師生抗議。

「從此以後,我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中,帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言:在理論模型中,氨是太空熱控系統的理想介質;但在現實的辦公大樓裡,它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯,但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險,以及必須為後果負責的工程師。

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高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ,曾任職於美國 OAO 工程部熱流組,深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球,他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心:當晶片運算速度無止境攀升,那股伴隨而生的熱,究竟該往哪裡去?

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗,彷彿進步毫無邊界。然而,每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護。在物理現實面前,再動聽的發表會敘事也必須低頭。

晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護 / 圖片:envato

回顧個人電腦發展早期,晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後,鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級,其實更像是對空間的極限勒索:晶片功率翻倍,發熱源的面積卻沒變大,機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出,散熱設計的核心只有三要素:功率、熱源面積與空間限制。他舉例,在標準的 1U 機箱中,若發熱面積約為三十乘三十毫米,氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數,而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於,風扇轉速提升的背後,是噪音、電力損耗與空間占用。

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因此,「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫,而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱,卻也將新的挑戰帶入機房:漏液風險、流道堵塞、材料相容性,以及維運時的難度。工程的進步,本質上鮮少是徹底消滅問題,更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的,不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人,是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中,沒有空氣能讓風扇製造對流;受光面溫度破百度,陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射,以及熱管與環路型熱管(LHP)來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱,冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力:在他設定的特定條件下,實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能;但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變,移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦(kW)。他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此,太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度,偏好無馬達幫浦的被動式設計;但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度,往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒:技術是否「先進」,與它是否「適合」當下的場景,始終是兩回事。

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他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。/圖片:envato

好論文,為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」,而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作,還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據,在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時,也曾遇過實驗數據無法複製,或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠,而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝,高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」,每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作,並指派專業人才在過程中持續微調、校正,確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測,但由於儀器預設以「水」校正,換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算,卻發現缺乏重複性,數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面,改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證,才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號,而在於那段不夠優雅的挫折:假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻,企業需要的不只是會算數的人才,而是能洞察研究何時「走鐘」,並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

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林唯耕坦言,過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」,進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽,卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計,若無法穩定生產或贏得客戶信任,也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案,誰來負責出貨?

訪談尾聲,主持人國威提出了一個時代難題:假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計,企業該選擇全面擁抱 AI 的速度,還是保留緩慢但穩定的工程驗證,以規避潛在的失效風險?

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是:兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案;但工程師仍須實作原型,進行嚴苛的性能與可靠度測試,最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺,而是基於一項事實:AI 的資料庫裡,通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節,且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代,最稀缺的未必是熟練下指令(Prompt)的人,而是具備這種能力的人:能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來,並且願意為最終的量產品質負起責任。

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大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中,雲端是由龐大的機房架構而成,裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張,都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值,就是不讓這筆物理帳單,被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

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意外拍出的煙火:一個顯微鏡管理員,用果蠅腸道摘下競賽銀獎
顯微觀點_96
・2026/04/20 ・1798字 ・閱讀時間約 3 分鐘

2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎:微觀煙火
2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品「微觀煙火」。攝影/温榮崑

2025 Taiwan顯微攝影競賽銀獎作品,如絢爛煙火綻開的影像,呈現的卻是共軛焦染色的果蠅腸道,透過多通道螢光標記出果蠅腸道細胞與組織的細緻分布。但這幅影像並不是刻意為之,拍攝者温榮崑表示,起初只是為了節省研究資源,在一張玻片上排列最多的樣本,卻意外拍攝出效果不錯的影像。

除了這屆獲得銀獎的作品,温榮崑也曾於2023年參賽,並獲得「優選」。當時,他將拍攝的海拉細胞命名為「James P. Sullivan」——怪獸電力公司裡的那隻「毛怪」蘇利文。不同屆的得獎作品,都展現出他饒富趣味的影像敘事。

無心插柳 拍出趣味作品

温榮崑現職為中央研究院生物化學研究所的研究助技師,為影像核心設施的管理者。這次參賽作品並非他的「研究主題」,而是他在「測試」儀器極限時無心插柳所拍攝出的作品。

「近期所上添購了新的共軛焦顯微鏡,所以來測試看看Z軸堆疊的成效以及動態拍攝究竟能有多快」,温榮崑表示為了能夠更了解機器的功能,因此他會自己製備或使用諮詢的樣本來測試在何不同條件下可以拍到的影像。

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腸道細胞排列成圓形
為了拍攝效率,將腸道細胞在玻片上排列成圓形。攝影/林任遠
温榮崑解釋微觀煙火的顏色漸層意義
温榮崑解釋「微觀煙火」的顏色漸層意義。攝影/林任遠

排列成環狀的果蠅腸道,除了是讓玻片中承載的樣本最大化,他表示也想看整段腸道不同區段之間的變化。至於影像中的顏色漸層,反映的是果蠅腸道內本身不同腸道細胞的功能分佈以及對氧化壓力(ROS)的不同反應。

這張影像同時標記了三種不同的螢光訊號:DAPI(藍色)標記所有腸道細胞的細胞核,GFP(綠色)表現於特定果蠅腸道幹細胞當中,Phospho-Histone H3(pH3,紅色)則用於觀察腸道幹細胞在氧化壓力下的分裂與增生。「這種漸層只有在把整條腸道拍下來時才看得出來。」

2023年優選作品:James P. Sullivan/温榮崑
2023年優選作品:James P. Sullivan/温榮崑

至於2023年的優選作品,温榮崑笑說,這也不是刻意為之,而是當時和影像分析同好討論到色盲友善(Colorblind-friendly)影像套色議題,便試著將不同的顏色套在海拉細胞的影像上。套到青色(Cyan)時覺得很像毛怪,便以此命名參賽。

把管理核心設施當作自己的研究

之所以親自拿樣本測試機器、和研究人員深入討論影像議題,來自於温榮崑對這份工作的理念。管理影像核心設施的温榮崑一開始並非「影像專門」或「光學」相關科系畢業,但一路從大學到研究生時期,他的研究一直都離不開生物影像,並在博士班期間一路以果蠅為主要模式生物進行研究。

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接下影像核心設施工作後,温榮崑用「經營者」的角度看待這份工作,刻意拉開各項設備的功能定位,透過明確區分解析度、速度、活細胞適用性等,讓研究人員可以使用最適合的儀器進行研究。

銀獎獎座
銀獎獎座。攝影/林任遠
温榮崑常親自測試機器
温榮崑常親自測試機器。攝影/林任遠
銀獎獎座
銀獎獎座。攝影/林任遠

近年,他也和中研院各研究所及台大醫學院等相關影像核心研究單位,共同建立影像分析社群EABIAS(東亞生物影像分析社群),積極與其他核心設施管理者交流經驗。

「這裡就是我的研究」,雖然最後沒有走上教職之路,温榮崑認為擔任研究技師反而可以接觸到各種不同面向的領域,做得更廣、更深,也能持續探索科學與美感交會之處。

延伸閱讀:

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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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渺小如塵埃的果蠅大腦,藏著解開人類記憶與意識之謎的鑰匙
顯微觀點_96
・2026/03/20 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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FlyWire 果蠅大腦50條大型神經元圖譜

2024年10月,神經科學的劃時代里程碑,成年雌果蠅完整大腦神經圖譜系列研究,發表在《自然》期刊(Nature)。此圖譜詳盡至果蠅腦中每一條神經的所有分支、每一個突觸的尺寸和型態,這樣的腦神經圖譜稱為「連接體」(connectome)。要繪製完整成熟雌性果蠅連接體,需要辨識近14萬個神經元(神經細胞)與其間的5千萬個突觸(不同神經元的連接處)。

「世上還沒有另一個如此複雜的成年動物全腦連接體。」

馬拉.莫西/普林斯頓大學神經科學研究所長

普林斯頓大學神經科學研究所長馬拉.莫西(Mala Murthy)、神經科學與電腦科學教授承現峻(Sebastian Seung)率領跨國科學團隊建造果蠅連接體雲端平台「FlyWire」,並在《自然》同時發表12篇論文,以《成熟大腦的神經連接圖》(Neuronal wiring diagram of an adult brain.)為旗艦研究,展現果蠅大腦的完整神經迴路,包含8453種神經元的構造與位置,其中4581種為本系列研究的新發現。

連接體開拓腦科學高速公路

有了詳細的腦神經地圖,科學家得以規劃嶄新的神經科學研究路徑,更加直接、詳盡地實驗神經構造與行為之間的關聯。例如,按圖索驥蒐集所有關於果蠅「剎車」動作的神經元,建構完整的動作神經網路,找出過往研究方式所遺漏的因素;或是利用果蠅連接體推論出「觀看」等動作的完整神經活動,捕捉新的神經科學現象。

生物資料科學家更進一步利用此完整連接體搭配演算法建立一個虛擬蠅腦,不僅完全重現神經元線路,更能及時推算各神經訊號的傳輸路徑與功能,模擬果蠅的真實腦內活動。接收初始訊號之後,這個虛擬蠅腦啟動一連串神經訊號,最後以運動神經元控制肢體作為結果,就像活生生的果蠅在對環境刺激進行反應。

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讓神經科學換檔加速的果蠅連接體,在「FlyWire」網站向公眾徹底開放。由公眾人力與人工智慧合力打造的龐大資料庫,現在平等地提供研究資源,科學界認為,FlyWire的完整度與開放性將大幅加速人類大腦的解密。

「蠅」來連接體學大躍進

人類大腦含有超過500億個神經元,形成上百兆個突觸,具備了人工智慧還無法達成的認知、思考與創造力。若能理解人腦的基礎運作方式,科學家有機會找到帕金森氏症等退化性腦部疾病的解藥,或是掌握思覺失調症等精神疾病的生理機制。甚至逐漸實現承現峻的科學狂想:以連接體科技上傳記憶與意識,讓人類達到永生。

發展四十年後,連接體學家終於掌握了果蠅大腦,這個器官最寬處不到0.75毫米,渺小如塵埃,其中蘊含的連接體奧秘卻超越過去累積的科學資料。以果蠅連接體完成博士學位的多肯沃(Sven Dorkenwald)比喻,果蠅連接體彷彿是一座茂密森林,神經元猶如樹木,可以透過根系彼此溝通。但在空間比例上,果蠅的某個視神經橫跨全腦連接雙眼,有如一棵紐約的樹木能夠和位在洛杉磯的樹木互通聲息。

相對「頭腦簡單」的線蟲與果蠅幼蟲缺少成年果蠅的複雜行為與反應,成年果蠅卻與人類共享許多認知功能與神經生理反應。例如:辨別同類、劃分地盤/食物、求偶交配等行為,以及時差、酒醉、咖啡因亢奮等特殊生理狀態。

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果蠅(Drosophila melanogaster)側面特寫
果蠅(Drosophila melanogaster)。圖片來源:André Karwath / Wikimedia Commons(CC BY-SA 2.5)

果蠅:當前最佳人腦模擬器

在動物行為領域,果蠅大腦與人類大腦面對許多相似的問題,如何前往目的地、判斷氣味來源、觀察周遭物體的移動,以及複雜的社會性行為,如歌唱求偶、爭奪資源;以及注意力與情緒調節等。從神經科學技術的現實面來看,果蠅大腦也是最適合進行全腦研究的複雜連接體,現有科技僅能對斑馬魚、小鼠的大腦進行分區重建。

「連接體研究需要夠複雜但體積不太大的腦,果蠅正好位在這個甜蜜點上。」

馬拉.莫西

莫西實驗室深入研究果蠅行為,發現果蠅的生存、繁殖行為蘊含複雜的模式。例如,雄果蠅演奏求偶時,會依照雌果蠅與它的距離改變演奏的音量與編曲,並追隨雌果蠅。運用FlyWire,莫西團隊清點雌果蠅中腦關於聽覺的600多個神經元與其突觸,辨認出20種新的神經元,發現其功能網路比過往所知更加複雜。

莫西團隊發現,雌果蠅聽覺迴路中,神經元的回饋訊號可以憑藉音訊特徵進行預測,未來可以據此模型預測真實雌果蠅對「情歌」的回應行為。或許我們深深自豪的音樂品味也刻劃在我們的腦神經細胞之間,只是和我們的連接體一樣,比果蠅的複雜萬倍。

在基因層面,果蠅與人類共享約60%的基因,包括學習、時差反應與唐氏症相關的基因。接近3/4的人類遺傳疾病能在果蠅DNA中找到對應的基因。因此,完整的成年果蠅連接體被視為通往人類大腦奧秘的橋頭堡。

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美國太空總署(NASA)在1947年將果蠅送上太空,作為地球生命前往太空環境的實驗品。牠們竟生還返地,為太空人開拓了道路。作為經典模式生物,果蠅相關研究獲得6項諾貝爾獎,生理學、神經科學與行為學領域已累積豐富資料,搭配完整連接體圖譜的跨領域研究,勢必能帶人類深入探索腦宇宙。

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顯微觀點_96
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