一窺生物分子私底下在幹嘛！低溫電子顯微技術原子等級突破

本文轉載自顯微觀點

攝影之前的顯微傳播

在顯微鏡已是博物學家必備工具的 19 世紀中葉，銀版攝影技術才剛發明不久，結合兩者的顯微攝影（photomicrograph）隨之邁出第一步。但顯微攝影直到 19 世紀末才真正普及化、以客觀與速度成為自然科學研究的技術。

在此之前，由繪圖師在顯微鏡前臨摹描繪是顯微影像 200 年來的記錄與傳播方法，從休閒式的顯微圖鑑，到科學界的分類學文獻，都有賴精細可信的顯微繪圖。當時的分類學家或解剖學家經常培養出顯微繪圖能力，但與顯微繪圖師分工可以提升效率與美學。儘管有投影描繪器（camera lucida）可作為素描輔助，每個顯微繪圖師的筆觸還是會呈現鮮明的技巧與個人風格差異。

韋斯特（Tuffen West）是維多利亞時代最為人稱道的顯微繪圖師之一，職業生涯長達四十年，以精美版畫將成千上萬種生物型態傳達讀者眼前。他的顯微繪圖可見於醫學、動植物與微生物的科學著作與期刊，並在後世被評論為藝術品，盛年時往往受到最負盛名的博物學家與科普作家雇用。同時，他也是積極的博物學家和顯微技術推廣者。

失去聽力 放大視覺

1823 年，韋斯特出生於英格蘭約克郡。父親是個熱衷化學實驗的藥師，在不列顛科學促進會 ( British Association for Advancements of Science ) 位居要職。韋斯特從小就展現對自然與博物學的興趣，他一面按照父親的安排習醫，一面維持蒐集動植物標本的愛好，他 19 歲時發表的鳥類比較解剖學論文贏得了一筆可觀的獎金。

韋斯特 22 歲那年，他的醫學生涯戛然而止。他在父親的化學實驗室遭遇爆炸，幾乎完全失聰，失去行醫的基本能力。但他繼續使用顯微鏡觀察樣本，並開始練習版畫技術；在 25 歲時完成第一幅署名的版畫，並在 27 歲受女王學院雇用，為矽藻進行一系列顯微繪圖。

石版印刷：科普浪潮的技術基礎

韋斯特的弟弟威廉（William West）是在倫敦執業的版畫家及印刷匠，曾為達爾文繪製《物種起源》第一版的物種樹狀圖（也是該版唯一的圖片）。兄弟兩人經常合作為醫學著作繪畫製版，通常是韋斯特繪畫，威廉製版。儘管最後韋斯特的科學繪圖作品豐碩許多，但他最初的版畫技術很可能是由威廉傳授。

這對兄弟對版畫內容的志趣可能不同，但對美學有著共同的堅持。他們經常在作品下方註明，使用彩色平版印刷（Chromolithography）技術，而非新穎的技術競爭對手—石板淡彩畫（Lithotint）。

1796 年發明的石版印刷，在新世紀成為廣受歐洲各國歡迎的大量圖片複製技術，科學刊物中的印刷版畫，無不經過「繪圖、製版、印刷」三道工序。其中製版的工藝關乎圖畫如何呈現在出版物上，對美感與技術的需求不下於繪製原圖。

19 世紀早期流行的彩色平版印刷中，每一種顏色需要一塊獨立的石板，每一塊石板的圖案必須精準對齊，以繁複的工藝堆疊出豐富亮眼的色澤。而石板淡彩畫每一幅圖畫則只需一塊石板，效率高、成本低，但能表現的顏色有限。韋斯特兄弟堅持較費工夫，色彩美感更為豐厚的彩色平版印刷。

醫學與公衛潮流中嶄露頭角

韋斯特在解剖學繪圖成名的一系列作品也源自其家族成員，他的連襟、口腔醫學之父哈欽森（J. Hutchinson）。哈欽森出版的眾多創新醫學著作包含壁蝨、梅毒、豬囊蟲感染病徵的顯微圖像，都由韋斯特兄弟繪製。他們持續為哈欽森創立的新希德南協會（New Sydenham Society）出版物作畫，合作直到威廉過世。

透過著重翻譯歐陸醫學文獻的新希德南協會，韋斯特兄弟得以觀察、繪製當時嶄新的顯微解剖構造。例如，荷蘭精神疾病與癲癇研究奠基者：施洛德范德柯克（J. Schroeder van der Kolk）涵蓋脊髓到延腦的解剖學報告。韋斯特兄弟的工藝描繪出繁複寫實的神經細胞、腦葉解剖圖，將歐陸最新醫學知識帶到英國讀者眼前。

韋斯特的生涯起步階段深受 19 世紀英國的重大瘟疫與食安議題影響。他曾參與公衛先驅哈索爾（A. H. Hassall）的病源調查任務，在 1855 年倫敦霍亂疫情後，出版檢驗市內民生用水的《各處水質顯微檢驗》。

水質檢驗報告中生動的微生物繪圖，皆由繪圖師前輩米勒（H. Miller）作畫，韋斯特製版。透過精細均衡的版畫成品和大眾對水質的關注，韋斯特奠定了技術細膩的名聲。

後來，哈索爾以《刺胳針》期刊曝光當時常見的食品摻假惡行時，持續與小有名氣的韋斯特合作繪圖，以寫實顯微圖像向大眾呈現來自倫敦四處商販的食品樣本。

直到食品摻假報告集結成冊，哈索爾才在序言說明，他多年前的醫學成名作《人體的顯微解剖：疾病與健康》也包含許多韋斯特的畫作，那是韋斯特參與的第一個科學顯微繪圖作品，合作期間哈索爾還讓初出茅廬的韋斯特住在自己家裡，在充沛的支援下工作。可惜的是，哈索爾的主要著作中，多數顯微繪圖都沒有畫家署名，因此無法判斷哪些繪圖是由韋斯特繪圖或製版。

畫筆風靡大洋兩岸

醫學領域以外，韋斯特也用鮮明精密的畫風描繪博物學圖像。史密斯（W. Smith）所著《不列顛矽藻概要》裡面層次豐富、色彩飽滿的顯微繪圖，使韋斯特作品在博物學家、科普讀者間一時洛陽紙貴。

韋斯特因此受到海洋生物學先驅、水族館創始人葛斯（P. H. Gosse）邀請，合作出版科普讀物。身為博物學家的葛斯具備出眾的顯微繪畫技能，甚至比 19 世紀末聞名歐洲的博物學兼繪畫家海克爾（E. Haeckel）更具聲望。受到葛斯邀請繪圖，表示韋斯特已躋身當時最傑出的顯微繪圖師行列。

葛斯的著作《顯微鏡前的夜晚》 是當年大西洋兩岸最受歡迎的科普著作。書中以創造論解釋生物型態多樣性的宗教觀念、鮮明多樣的生物插圖廣受歐美讀者歡迎。韋斯特與著名的解剖學家兼科學畫家福特（G. H. Ford）合作為本書繪圖，但兩人都沒有署名，難以分辨書中精湛的繪圖分屬哪位作者。

韋斯特也曾為當時最熱門科普作家伍德（J. G. Wood）巨著《博物學》作畫。伍德的作品包含從藻類、草履蟲到寵物犬等生物萬象，他的文字和韋斯特的繪圖深刻影響讀者對生物多樣性與人類起源的想像。當時知名文學家如馬克．吐溫和柯南．道爾都曾在小說中引用伍德的科普內容。

離開顯微鏡，韋斯特的巨觀博物學繪圖依然出色，尤其是針對節肢動物。蛛形動物學開拓者，布萊克沃（J. Blackwall）的《不列顛與愛爾蘭蜘蛛史》、維多利亞時代罕見的女性昆蟲學家史戴維利（E.F. Staveley）的《不列顛蜘蛛》都由韋斯特繪製版畫。栩栩如生的細節、緊密的版面，彰顯了韋斯特博物學繪圖的特色。

韋斯特受雇進行顯微繪圖時，通常由博物學家郵寄為他特製的顯微玻片，讓他自行細細觀察、從容描繪。令人好奇的是，韋斯特的蜘蛛博物學版畫上，總是註明 ”sc. ad nat.” 表示他觀察自然樣本（after nature）進行描繪，而非臨摹他人作品。或許，這些蜘蛛也是由郵差送到韋斯特手上的。

圖文交織，拓展微觀

除了陸地生物，韋斯特為專書、期刊描繪的主題包括有孔蟲、單細胞動物、從海葵到鯨豚等海洋生物，栩栩如生的彩色圖畫拓展了大眾對博物學的興趣。

其中一群可能受彩色圖畫吸引而親近博物學的目標讀者，就是維多利亞時代的中上階層女性。她們雖曾受高等教育、具備社會地位與經濟資本，卻無法加入學會，也罕有機會研究自然、從事博物學相關職位。

例如，倫敦雅典娜俱樂部（The Athenaeum Club），這個以希臘女神為名、服從英國女王的組織，在19世紀初成立時，已經是科學、藝文、法政菁英紳士踴躍參與的知性俱樂部，卻直到2002年才開放女性成為會員。當年俱樂部中的動物學家如瓊斯（T. R. Jones）就強調利用「女性感興趣的」的自然題材、韋斯特栩栩如生的繪圖來吸引維多利亞時代女性讀者。

在林奈學會記錄中，韋斯特謙稱自己是顯微繪圖師，博物學只是業餘愛好。但是他在顯微技術推廣的成果，遠遠超出單純繪圖師的工作範疇。

韋斯特曾推出一系列的顯微知識專欄文章，分享自己的研究心得。1860年代在《休閒科學》（Recreative Science）上著重於他早期對矽藻的蒐集與觀察。1880至1890年代的〈顯微鏡前的一小時〉〈顯微鏡前的30分鐘〉（專欄命名顯然是模仿暢銷書《顯微鏡前的半小時》）則大幅擴展，包含微生物、種子、昆蟲器官的顯微素描以及顯微鏡操作技巧等。

經常以郵件接收顯微樣本的韋斯特在 1875 年成為「郵政顯微協會」（Postal Microscopical Society）主席。該組織建立各地顯微愛好者交流樣本與知識的平台，並在月刊上評析會員們郵寄分享的最新玻片。韋斯特對樣本的縝密觀察與評論，是當時會員們最為珍視的回饋。

全能的科學傳播者

推廣顯微知識的行動中，韋斯特不僅從事評析或繪圖。在他參與的兩本暢銷科普讀物《顯微鏡前的半小時》《顯微鏡下的常見物體》中，他負責篩選樣本、精工製圖，科普作家再以這些顯微繪圖為核心寫作。韋斯特的選樣和繪圖決定了整本書的走向。

《顯微鏡前的半小時》文字作者蘭卡斯特（E. Lankester）在第二版序文中，感謝韋斯特精采的顯微版畫，搭配「作者」的後續著述介紹，在市場上大受歡迎。蘭卡斯特認為韋斯特佔據首要功勞。

與科普作家伍德合著《顯微鏡下的常見物體》時，韋斯特不僅擔任挑選顯微樣本、繪製版畫（此步驟決定了後續文字的走向），也負責印刷的校樣，責任比文字作者更加吃重。此書獲得讀者們熱愛，持續再版直到20世紀。

主導了兩本堪稱史上最受歡迎的顯微科普書，韋斯特卻不曾以作者名義出版專書。他曾在科學期刊發表數篇博物學論文，涵蓋植物、昆蟲、矽藻的顯微構造，採樣與觀察、寫作與繪圖都由他一手包辦。

據佚名資料，蒼蠅足部型態的比較形態學研究是韋斯特最得意之作。韋斯特在 1860 年代發表的矽藻博物學與蒼蠅足部論文，在西元 2020 年後依然有科學家引用。

在《顯微鏡下的常見物體》的出版過程中位居要角的韋斯特，在初版書名頁與印刷者並列，重要性僅次於作者伍德。但隨著版本演進，在 1949 年的再版中，韋斯特的名字已完全消失了。

同樣熱銷的科普圖書《顯微鏡前的半小時》出版歷程中，韋斯特也遭逢一樣的命運。儘管文字作者蘭卡斯特曾表示韋斯特的貢獻最為重要，但是他的名字卻在 1876 年及其後的各版本付之闕如，此時韋斯特的顯微繪圖與科學寫作工作也幾乎停擺。

空白與堅持

韋斯特在 1864 年前後，以及整個 1870 年代都遭遇生產力低落的問題，問世的畫作與文章寥寥無幾。直到 1882 年後，韋斯特才穩定地為期刊作畫並刊載科普專欄，但再也沒有產出研究論文或專書版畫。

創作死寂的階段，正是韋斯特頻繁進出精神療養院的歲月。他的症狀缺少明確醫療記錄，但研究者認為，頻繁的住院符合躁鬱症的週期特徵。

1862 年起，壯年的韋斯特病況不斷起伏，不時住院。即使到他退休後，依然無法逃脫精神症狀的折磨，1879 到 1883 年間，花甲之年的韋斯特在精神療養院裡度過了 31 個月。從首次入院到 1891 年過世，他在療養院居住的時間總和超過 60 個月。

韋斯特在逝世前 6 年寄信給林奈學會，表示自己受困於健康狀況，無法進行科學活動，只能滿懷遺憾地自請退出。

在文明劇烈變遷的 19 世紀後半葉，不少知名藝術家深受精神症狀所苦。梵谷（V. van Gogh）、孟克（E. Munch）和韋斯特的同胞，愛貓畫家韋恩（L. Wain）。這些藝術家的精神症狀影響繪畫風格，但並未阻止他們繼續創作，甚至成就他們名留青史的傑作。

可惜的是，定位自己為「顯微藝術家」（microscopic artist）而非傳統藝術家的韋斯特，沒能找到精神失調與繪畫結合的創作出口。

繪圖與研究的生產力遠非韋斯特失去的最重要事物，他在即將成為醫師時失去聽力；他在新婚三年後（1860年）不幸喪妻，並在不久後開始進出精神療養院；在 1875 年，他青春期的兒子離開人世。

造化弄人的是，韋斯特分別在喪妻與喪子的年份，獲選為林奈學會成員與郵政顯微協會主席。遭遇精神疾病之後，他的科學繪圖產量從未恢復，但也不曾放棄推廣顯微科學，直到 1891 年逝世前，他仍在持續整理、刊登過去的顯微素描與筆記。

玻片之後的隱形人

58 歲就自稱退休的韋斯特留下不到 1000 件署名作品，沒有水彩畫展、自畫像的紀錄。以當時顯微版畫行情來看，韋斯特很難平衡他的家庭開支，但他留下 500 英鎊的遺產，表示他的報酬可能高出其他顯微繪圖師甚多，或者他還有許多未署名的畫作在維多利亞時代流傳。

如同韋斯特的貢獻在解剖學教科書出版多年後才被哈索爾公布，或是在科普暢銷書的再版生命中逐漸湮沒，功勞被忽略似乎是維多利亞時代顯微繪圖師的常態。隨著科技演進，顯微繪圖這個職業在 20 世紀初不可避免地被顯微攝影取代。

從 19 世紀的博物學到現代學術工作，在科學上得到信賴、美學上得到讚賞的顯微影像，都由許多人的技術與心力交織而成。當精彩的顯微影像映入眼簾，不妨也看看研究主持者之外，還有哪些猶如現代顯微繪圖師的影像技術人員隱藏在這幅微觀風景之後。

參考資料

• Dolan, J. R. (2021). Tuffen West FLS, FRMS (1823-1891): artist of the microscopic, naturalist, and populiser of microscopy. Arts et sciences, 5(1).
• Paisley, P (2015).The Tuffen you probably missed, and some you’ve never seen. microscopy-uk.org
• Paisley, P (2016). More Tuffen you possibly didn’t notice. microscopy-uk.org

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「我開始拍攝美麗的影像是出於興趣，因為我喜歡神經科學圖像藝術性的一面。」

史蒂芬妮．希爾思（Stephanie Shiers）是美國德州達拉斯大學的認知神經科學家，她拍攝的顯微鏡影像曾被選作多本期刊的封面，包括《神經科學雜誌》 (The Journal of Neuroscience)、《科學轉化醫學》 (Science Translational Medicine)等。要怎麼做才能讓自己拍攝的作品登上期刊封面呢？

希爾思在 2019 年取得認知和神經科學博士學位，目前從事疼痛研究，以移植捐贈者的神經組織探索慢性疼痛的臨床前機制和治療方法。

最驕傲的時刻——影像獲選期刊封面

希爾思攻讀博士期間，當第一篇論文獲得刊登且拍攝的照片一同被選為封面發表時，是她最引以為傲的時刻。她表示，第一篇論文被發表本身已經很令人興奮，當時並未預期會獲選封面，「因為我只是基於我對神經科學藝術的熱愛，而拍攝漂亮的圖片」。

事實上，論文中所有影像都使用 40 倍物鏡拍攝，但她後來決定使用 100 倍物鏡拍攝，以捕捉一些漂亮的影像，加以觀察。

「我能看到所有的樹突和軸突初始段，這看起來令人震撼！」當希爾思與她的指導教授分享時，教授鼓勵她投稿期刊封面，同時提交論文。

希爾思表示，在攻讀博士學位時，面對周遭的同行都非常專業，自己曾感到無所適從。然而，當成功的數據和封面影像出現時，過去辛勤的工作和壓力都值得了。

歷經徬徨　受科學魔法吸引踏上研究路

對於自己選擇踏入神經科學研究，並繼續攻讀博士、成為科學家，希爾思坦承自己也曾經歷徬徨。「因為不知道自己想做什麼」，希爾思大學時曾選了三個主修、一個副修。

原想攻讀醫學院的希爾思，在接受緊急救護技術（EMT）訓練時，意識到自己不想當醫師。因此她又選了神經科學和歷史專業，因為她自認可能喜歡人文學科、可能想成為律師。

直到完成學士學位後希爾思仍不清楚自己的職涯方向。但當她加入校內實驗室時，發現自己「真的很喜歡」，進而申請進入加州大學戴維斯分校的 NeuroMab 研究機構（UC Davis/NIH NeuroMab facility），從事免疫組織化學的工作。

在這份工作中，希爾思研究進行免疫組織化學染色、抗體驗證，在顯微鏡下觀察「肉眼」看不見的東西。這時她意識到「科學是最我們所擁有，最接近魔法的東西」，也因此確認了職業道路——走上學術研究之路。

而現在對希爾思來說，最難忘的時刻莫過於帶領在實驗室掙扎的學生領略科學的奇妙。

曾經有一名學生未受太多訓練，因此希爾思帶著她完成染色工作、教她操作共軛焦顯微鏡；而當學生第一次看到顯微鏡下的影像時，露出驚訝的表情。 「看到別人也能體驗到科學的神奇，真是太好了！」希爾思這麼說道。

超敏通道

圖像顯示小鼠背根神經節表現瞬態受體蛋白 5 （TRPC5，紅色）編碼瞬時受體電位規範 5（TRPC5，紅色）、抑鈣基因相關胜肽（CGRP，綠色）、P2X3 受體（藍色）和神經絲蛋白 200（青色）的基因。

希爾思為〈Transient Receptor Potential Canonical 5 Mediates Inflammatory Mechanical and Spontaneous Pain in Mice.〉的共同作者。

本篇論文主要探討，多種原因引起疼痛超敏反應，其中 TRPC5 的活化增加了囓齒動物對疼痛的敏感性，而 TRPC5 通道也在人類感覺神經元中表現，因此研究認為 TRPC5 抑制劑可能可有效減輕患者的疼痛超敏反應。

拍科學藝術照　封面也可以很抽象

對於如何拍出「封面等級」的科學藝術照，希爾思也給出幾點建議。首先，她強調擁有適合的儀器至關重要，以降低信噪比和提升影像品質。

此外，研究者必須接受更多基礎訓練。她表示，過去自己雖操作過很多次顯微鏡，但主要使用明視野照明觀察。直到開始博士課程後學習神經解剖學、蛋白質定位等知識，使用免疫螢光染色最適當的卻是使用暗視野照明。因此持續接受培訓，了解如何正確使用顯微鏡也是非常重要的。

希爾思也建議，在實驗數據收集階段，就可預先規劃影像拍攝；一邊構思論文中需要使用的圖像和材料，如果材料和研究內容一致，就當場拍攝解析度更高的影像。

她也鼓勵研究者不斷嘗試新事物，例如使用不同染劑（明視野病理染色劑、鈣染色劑等）與顯微鏡搭配，將更容易拍攝出引人注目的影像。

希爾思鼓勵研究者盡可能地投稿封面影像，並強調封面不必與數據收集所用的影像完全相同；甚至許多期刊封面的圖片可以是抽象的、不一定要和照片一樣真實。

物種特異性表達

以原位雜合技術（in situ hybridization，左）和空間轉錄（Spatial Transcriptomics，右）並置的人類背根神經節，用於描述感覺神經元轉錄譜的特徵。

痛覺受器是專門的感覺神經元，存在於背根神經節（DRG）和三叉神經節中，對生成最終疼痛感知的神經元信號至關重要。

希爾思為〈Spatial transcriptomics of dorsal root ganglia identifies molecular signatures of human nociceptors.〉的第二作者。

本篇研究試圖為人類疼痛受器生成等效訊息，利用空間轉錄數據識別痛覺受器的轉錄組特徵，並藉以識別物種間差異和潛在的藥物靶點。

圖像為患有神經性疼痛的小鼠內側前額皮質神經元，紅色為 PV 陽性細胞小白蛋白陽性中間神經元（紅色）與軸突初始段標記（Ankyrin-G，綠色）和核標記（DAPI，藍色）的共同標記。

希爾思為〈Neuropathic Pain Creates an Enduring Prefrontal Cortex Dysfunction Corrected by the Type II Diabetic Drug Metformin But Not by Gabapentin〉的第一作者。

認知障礙是神經性疼痛的共病。本篇研究使用原治療糖尿病的藥物二甲雙胍，治療神經疼痛 7 天後出現逆轉，包括功能和解剖學出現變化，顯示該藥物或可老藥新用於治療神經性疼痛及其認知合併症。

1. https://www.olympus-lifescience.com/en/discovery/behind-the-lens-dr-stephanie-shiers-creates-cover-worthy-neuroscience-art/
2. Sadler, Katelyn E et al. “Transient receptor potential canonical 5 mediates inflammatory mechanical and spontaneous pain in mice.” Science translational medicine vol. 13,595 (2021).
3. Tavares-Ferreira, Diana et al. “Spatial transcriptomics of dorsal root ganglia identifies molecular signatures of human nociceptors.” Science translational medicine vol. 14,632 (2022).
4. Shiers, Stephanie et al. “Neuropathic Pain Creates an Enduring Prefrontal Cortex Dysfunction Corrected by the Type II Diabetic Drug Metformin But Not by Gabapentin.” The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience vol. 38,33 (2018).

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擴張顯微術、免疫螢光標記搭配雷射共軛焦顯微鏡，果蠅腦部緻密的多巴胺神經網路展開在我們眼前。初看猶如璀璨星雲，接近端詳就能發現神經束繁複清晰，聯繫著綻放光芒的神經元，猶如從太空站觀看的都會夜景。

這張精彩的作品「Wiring the Brain」，是以果蠅大腦探索連接體學，尋找腦部運作奧秘的路線圖之一，由清華大學腦科學中心的博士生劉柏亨拍攝。獲得 2023 Taiwan 顯微攝影競賽銀獎，不僅是劉柏亨在追求科學真相途中的額外收穫，也是他對自己多元興趣的重要實踐。

從材料工程到腦神經 追求變化的躍動旅程

大學時主修材料科學的劉柏亨，從「自修復材料」開始，研究興趣逐漸從工程領域轉向仿生（Bio-inspired）科技。他的碩士班題目是以生物晶片模仿心臟，作為藥物篩選平台。對他自己和指導教授都是嶄新的題目。

「我是個很好動的人，因此選擇了一個全天都在活動的器官。」

——劉柏亨說，當時雖有學長研究細胞遷移，但對他來說還不夠「動感」，因此選擇團隊中沒有先例的心臟作為研發目標。

以仿生材料模擬心臟的過程中，劉柏亨意識到，「我對細胞、組織的基本原理還不夠了解，容易以工程師的觀念模擬心臟特性，有時會違反真實、整體的生理學。」他因此萌生了建立生醫知識基礎的求知慾。

劉柏亨想要挑戰更複雜的器官，進入江安世院士領導的清華大學腦科學研究中心攻讀博士，將短期具體研究目標放在「腦神經的影像化」，長期的探索方向則是「系統性地理解『生命現象』」。

無畏複雜 以系統視野理解生命

劉柏亨說明，上一階段的生命科學著重精準分析特定分子的功能，逐步研究細胞生理的單一面向。但人體不只由數種分子或細胞組成，而是上兆個細胞形成群體、互相影響，才展現出人類個體的生命表現。

以系統生物學（Systems Biology）觀念，整合地理解人類生命，是劉柏亨著迷的目標。他說，因為分子與細胞生物學研究充分累積，現今的生醫知識基礎與技術成熟，已形成科學家投入系統生物學的良好時機。

其中最吸引他的，是呈現腦神經系統的「連接體（Connectome）」及探究其整體運作的「連接體學（Connectomics）」。

連接體學是探究精神官能症狀、神經性疼痛、認知退化等腦部相關疾病的最新路徑。解碼線蟲、果蠅等模式生物較為簡單的神經連接體，將能推動對人類腦部運作方式的理解，也是神經生物學與醫學的關鍵方向。

系統生物學重視聯繫與整合的思維，不僅是劉柏亨追求知識的途徑，也延伸了他對生物學專業與社會的觀點。

這位接連跨足不同領域的博士生說，擷取腦神經影像的程序從前端的生物材料製備，到後端影像系統的工程科技都不可或缺，不是一個人的專業能力能夠包辦。

他因此體悟，每張顯微影像都結合多種專業，而生物學的每一步進展也是不同領域科學家努力的整體成果，並非一個天才在單一領域獨力鑽研而成。

「許多不同的神經細胞彼此透過突觸聯繫彼此，建構出有神奇功能的腦。就像是人與人建立連結，建構社群與社會。」

——劉柏亨在頒獎典禮現場如此介紹自己獲獎的顯微影像。

工程師的生物學 如調酒般逐步改良

這張螢光染色的果蠅腦神經多巴胺網路圖，輸出到超過人腦的截面積，依然清楚呈現星羅棋布的迴路與神經元。跨越繞射極限的清晰成像，要歸功於擴張顯微術（Expansion Microscopy）與劉柏亨逐步改良工法的耐心。

劉柏亨解釋，擴張顯微術中「分解」步驟對螢光訊號最為關鍵。蛋白酶能夠有效分解（digest）樣本的蛋白質骨架，讓樣本順利擴張，但是會犧牲不少螢光蛋白與解析度。

替代方法是以藥物促使蛋白質變性（denature）降低張力，維持螢光訊號強度，但是樣本擴張過程會有較多阻撓，導致結構變形。劉柏亨說，

「結構變形，就不是原本要追求的東西，訊號再強也沒有用。」

他笑稱自己「『像個工程師』地追求實驗最佳化，把兩種分解途徑混成雞尾酒，每一杯都稍微調整改良。」他調和兩種分解概念，嘗試不同藥劑濃度、工序、實驗溫度；或以生物素化（Biotinylation, 在樣本擴張前使用）, 鍵擊化學（Click Chemistry, 在樣本擴張後使用）放大螢光訊號。

經過了近四十份的樣本製作與拍攝，終於得到滿意的影像。他敘述製作過程的語氣輕快，其實每一次擴張顯微術的製備與拍攝，都是漫長嚴謹的科學工作。

每一組樣本（大約十顆果蠅腦）的免疫螢光染色工期大約一週，擴張過程耗時三至四天；以轉盤式共軛焦顯微鏡拍攝單顆擴張的果蠅腦樣本，則需要 18 小時左右；接著要花上一整天，等待軟體拼接壓縮上萬張圖片。

獲獎的「Wiring the Brain」就是超過 10 萬張顯微照片的拼接疊合而成，包含將原本立體的影像透過專用軟體壓縮成平面。劉柏亨譬喻，「打開全新的 iPhone15 Pro，按住快門連拍直到記憶體滿載罷工，就是一張果蠅連接體影像需要的容量。」

繁密的連接體影像，不僅讓劉柏亨在連接體學的迷宮中前進，也能滿足他對美感與藝術的追求。在實驗室外也是攝影愛好者的劉柏亨，本學期正在修習清大科技藝術研究所曹存慧老師的生物藝術課程。

藝術家的生物學實驗室：向外延伸感官 向內反思存在

劉柏亨興奮地分享，他正與組員規劃虛擬展覽「藝術家的生物學實驗室」，模擬一個身懷生物科技的藝術家，會如何規劃他的實驗室。

腦機介面、組織再生、基因工程，是三個劉柏亨想要優先呈現的技術。

從編輯 DNA，改變蛋白質，最後型態出現差異，基因工程是現代生物技術的基礎。組織再生可以展現生物體修復能力與生醫工程的可能性。腦機介面則是最直接觸及心智能力、感官範疇，也結合最多精密工程技術的領域。

「這個藝術家本身帶有基因或感官的缺陷，試圖用生物科技延伸他的感官。參觀者能體驗生物科技延伸感官、改變身體的能力，並從中反思我們作為個體存在於環境中，與環境互動的關係。」

——劉柏亨解釋藝術計畫的初衷，一如對顯微技術的投入。

與藝術學院同學合作的過程中，劉柏亨發現組員們對生物學的知識足夠，較為不同的是，藝術領域的組員對於色彩組合或實驗操作，常常比科學領域的學生更加直覺，帶來浪漫的不確定性及意外的創造性。這種風格能與劉柏亨的藝術追求產生共鳴，但是科學研究必須要求精確，在浪漫與精確之間拿捏，也是他練習的目標。

另一方面，藝術學院的組員也常引導劉柏亨設計出更簡潔的生物學科普展示；或是透過討論，讓他想傳達的科學概念更具體明確。

使新奇成為日常元素 顯微鏡是好奇心泉源

從攝影、腦神經到生物藝術，劉柏亨喜歡讓心智保持活躍與好奇。他形容自己，「每天我都需要新的刺激，我喜歡讓學習新事物成為生活的常態。」他對顯微技術的投入，也是由碩士班期間的好奇心開啟。

當時的實驗室備有共軛焦顯微鏡，劉柏亨並不負責保養，也不須理解光路，但是好奇心驅使他向前來校正的工程師陳正義學習。劉柏亨說「正義哥算是我的顯微技術啟蒙老師，只要他出現在實驗室，我就會站在旁邊追問。」

現在劉柏亨遇到超越既有能力的顯微技術問題，不僅會和團隊成員討論，也會向其他實驗室的技術人員，甚至教授求教。參與不同團隊合作架設光學系統的過程，讓他深入了解雷射共軛焦顯微技術的原理，並體驗以精密工程逐步實現理論。

劉柏亨認為，顯微技術不僅是延伸感官的工具，更提供理解周遭世界的全新方式。隨著理解方式改變，好奇心與探索的內在動力會源源不絕地湧出。

「顯微鏡其實是激起好奇心的動力引擎。」

——劉柏亨認為從日常生活進入微觀世界，最重要的回饋是對人內在的激勵，不只是外在的觀察。

從機器管家出發 追問生命的意義

對自己的研究目標轉換，劉柏亨說「心臟的細胞運作起來具有高協同性，像是訓練有素的樂儀隊。但腦神經的運作瞬息萬變，隨時變化，更像是社會中的人際連結。」儘管像是越級打怪，他仍想探索更複雜的生命系統。

說到自己對生物學的內在動機，劉柏亨回憶，「我一直記得電影《機器管家》（Bicentennial Man，1999 年上映）。透過機械工程組合無機的零件，可以模擬一個真實的人類，與人建立感情。其中一定需要對生命原理的了解，非常神秘。」

對複雜生命現象進行整合研究，進而建立精密的仿生系統，這個系統不僅可能成為藥品篩選、器官再生平台，在更遠的未來可能成為人的延伸，甚至模仿人的整體生命表現。

這個猶如科幻小說楔子的目標，由劉柏亨敏銳的好奇心與多元的科學技藝積累堆砌而成。他說，

「在理解、實現這個系統的過程中，我會掌握生命的意義。」

• Complete wiring map of the insect brain NIH
• See an Amazingly Detailed Map of the Fruit Fly Brain Nature
• Gigantic map of fly brain is a first for a complex animal Nature
• Website of Ed Boyden

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