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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

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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為什麼越累越難睡?當大腦想下班,「腸道」卻還在加班!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/30 ・2519字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文與  益福生醫 合作,泛科學企劃執行

昨晚,你又在床上翻來覆去、無法入眠了嗎?這或許是現代社會最普遍的深夜共鳴。儘管換了昂貴的乳膠枕、拉上百分之百遮光的窗簾,甚至在腦海中數了幾百隻羊,大腦的那個「睡眠開關」卻彷彿生鏽般卡住。這種渴望休息卻睡不著的過程,讓失眠成了一場耗損身心的極限馬拉松 。

皮質醇:你體內那位「永不熄滅」的深夜警報器

要理解失眠,我們得先認識身體的一套精密防衛系統:下視丘-垂體-腎上腺軸(HPA axis) 。這套系統原本是演化給我們的禮物,讓我們在面對劍齒虎或突如其來的危險時,能迅速進入「戰鬥或快逃」的備戰狀態。當這套系統啟動,腎上腺就會分泌皮質醇 (壓力荷爾蒙),這種荷爾蒙能調動能量、提高警覺性,讓我們在危機中保持清醒 。

然而,現代人的「劍齒虎」不再是野獸,而是無止盡的專案進度、電子郵件與職場競爭。對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態。

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在理想的狀態下,人類的生理時鐘像是一場精確的接力賽。入夜後,身體會進入「修復模式」,此時壓力荷爾蒙「皮質醇」的濃度應該降至最低點,讓「睡眠荷爾蒙」褪黑激素(Melatonin)接棒主導。褪黑激素不僅負責傳遞「天黑了」的訊號,它還能抑制腦中負責維持清醒的食慾素(Orexin)神經元,幫助大腦順利關閉覺醒開關。

對於長期處於高壓或高強度工作環境的人們來說,身體的警報系統可能處於一種「切換不掉」的狀態 / 圖片來源:envato

然而,當壓力介入時,這場接力賽就會變成跑不完的馬拉松賽。研究指出,長期的高壓環境會導致 HPA 軸過度活化,使得夜間皮質醇異常分泌。這不僅會抑制褪黑激素的分泌,更會讓食慾素在深夜裡持續活化,強迫大腦維持在「高覺醒狀態(Hyperarousal)」。 這種令人崩潰的狀態就是,明明你已經累到不行,但大腦卻像停不下來的發電機!

長期的睡眠不足會導致體內促發炎細胞激素上升,而發炎反應又會進一步活化 HPA 軸,分泌更多皮質醇來試圖消炎,高濃度的皮質醇會進一步干擾深層睡眠與快速動眼期(REM),導致睡眠品質變得低弱又破碎,最終形成「壓力-發炎-失眠」的惡行循環。也就是說,你不是在跟睡眠上的意志力作對,而是在跟失控的生理長期鬥爭。

從腸道重啟好眠開關:PS150 菌株如何調校你的生理時鐘

面對這種煞車失靈的失眠困局,科學家們將目光投向了人體內另一個繁榮的生態系:腸道。腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」,而某些特殊菌株不僅能幫助消化、排便,更能透過神經與內分泌途徑與大腦對話,直接參與調節我們的壓力調節與睡眠節律。這種菌株被科學家稱為「精神益生菌」(Psychobiotics)。

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腸道與大腦之間存在著一條雙向通訊的高速公路,這就是「菌-腸-腦軸 (Microbiome-Gut-Brain Axis, MGBA)」/圖片來源:益福生醫

在眾多研究菌株中,發酵乳桿菌 Limosilactobacillus fermentum PS150 的表現格外引人注目。PS150菌株源於亞洲益生菌權威「蔡英傑教授」團隊的專業研發,累積多年功能性菌株研發經驗的科學成果。針對臨床常見的「初夜效應」(First Night Effect, FNE),也就是現代人因出差、換床或環境改變導致的入睡困難,俗稱認床。科學家在進行實驗時發現,補充 PS150 菌株能顯著恢復非快速動眼期(NREM)的睡眠長度,且入睡更快,起床後也更容易清醒。更重要的是,不同於常見的藥物助眠手段(如抗組織胺藥物 DIPH)容易造成快速動眼期(REM)剝奪或導致睡眠破碎化,PS150 菌株展現出一種更為「溫和且自然」的調節力,它能有效縮短入睡所需的時間,並恢復睡眠中代表深層修復的「Delta 波」能量。

科學家發現,即便將 PS150 菌株經過特殊的熱處理(Heat-treated),轉化為不具活性但保有關鍵成分的「後生元」(Postbiotics),其生物活性依然能與活菌媲美 。HT-PS150 技術解決了益生菌在儲存與攝取過程中容易失去活性的痛點,讓這些腸道通訊員能更穩定地發揮作用 。

在臨床實驗中,科學家觀察到一個耐人尋味的現象:當詢問受試者的主觀感受時,往往會遇到強大的「安慰劑效應」,無論是服用 HT-PS150 還是安慰劑的人,主觀上大多表示睡眠變好了。這種「體感上的進步」有時會掩蓋真相,讓人分不清是心理作用還是真實效益。

然而,客觀的生理數據(Biomarkers)卻揭開了關鍵的差異。在排除主觀偏誤後,實驗數據顯示 HT-PS150 組有更高比例的人(84.6%)出現了夜間褪黑激素分泌增加,且壓力荷爾蒙(皮質醇)顯著下降,這證明了菌株確實啟動了體內的睡眠調控系統,而不僅僅是心理安慰。

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最值得關注的是,對於那些失眠指數較高(ISI ≧ 8)的族群,這種「生理修復」與「主觀體感」終於達成了一致。這群人在補充 HT-PS150 後,不僅生理標記改善,連原本嚴重困擾的主觀睡眠效率、持續時間,以及焦慮感也出現了顯著的進步。

了解更多PS150助眠益生菌:https://lihi3.me/KQ4zi

重新定義深層睡眠:構建全方位的深夜修復計畫

睡眠從來就不只是單純的休息,而是一場生理功能的全面重整。想要重獲高品質的睡眠,關鍵在於為自己建立一個全方位的修復生態系。

這套系統的基石,始於良好的生活習慣。從減少睡前數位螢幕的干擾、優化室內環境,到作息調整。當我們透過規律作息來穩定神經系統,並輔以現代科學對於 PS150 菌株的調節力發現,身體便能更順暢地啟動睡眠開關,回歸自然的運作節律。

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與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通。透過生活作息的調整與科學實證的支持,每個人都能擁有掌控睡眠的主動權。現在就從優化生活型態開始,為自己按下那個久違的、如嬰兒般香甜的關機鍵吧。

與其將失眠視為意志力的抗爭,不如將其看作是生理機能與腸道微生態的深度溝通 / 圖片來源 : envato

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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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