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不用一條腿一隻手代價的顯微攝影

timd_huang
・2011/04/28 ・3840字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 455 ・五年級

對於認真玩化石(或礦物)的玩石家來說,如果提起礦物或化石的顯微攝影,大多數人腦子裡面會浮起什麼念頭?可能馬上會想起,若要做顯微攝影的話,起碼要有一台顯微鏡,而且這必須是稱之為「礦物顯微鏡」或「解剖顯微鏡」的,從物鏡到樣本,必須有足夠的空間(至少好幾公分),不是一般醫學顯微鏡的物鏡幾乎貼到樣本那種,除此之外,還要加上一個套管,才能把相機接上去;如此一來,這整套設備,大概好幾萬新台幣跑不掉,對於一般玩家來說,哼,這可要有點考慮了,老美有句俗語說:「costing an arm and leg」,僅僅為了如此簡單的功能,花上辛苦賺來的大把鈔票,經濟算盤很難算吔!老美的說法,就是需要砍下一隻手或一條腿去賣,錢才夠!或許吧,這就是我很多年以來試圖推廣收藏顯微礦物,一直都很失敗的原因;即便諸多顯微礦物在顯微鏡下,結晶漂亮得比林志玲還要來得美,可是入門的門票就要好幾萬,不玩也罷。

去(2010)年10月,我寫了ㄧ篇文章〈石光歲道〉,提到一個基本上沒有什麼花費,就可做到的「愛瘋」(手機)近拍裝置,從壞掉的光碟機拿下小鏡頭,黏在迴紋針上,要用的時候,把迴紋針彎一彎,放大鏡頭蓋在手機鏡頭前,就可以拍出一些近拍的照片,對於需要常跑野外的我來說,非常好用;但是,實際使用起來,還是有一點訣竅,因為如此加裝以後,放大倍率固然大幅提昇,可是景深也變得很淺短,愛瘋又沒有可裝三腳架的螺絲孔,用手拿著做近拍,對焦可要好好練習,才能抓得準。

目前我身為國際兩岸聯合世界最古老恐龍胚胎計畫的主持人之一,正在如火如荼進行中,我自己又沒有學校公家、花錢不心痛的設備,怎麼辦?如何把手中的樣本做出一些顯微照片,以供進一步研究?最近自己動手做的手又癢了,加上「窮則變、變則通」的人生大道理,終於找出了一個便宜又好用的方法--此法,可能有好多人已經想出來過,但是,我還是無法安撫自己的興奮,故此來個野人獻曝,與大家分享。

沒錯,這是一個非常簡單,花費新台幣二、三百塊左右(或以下),短時間內就可自己做好的「近拍數位顯微鏡照相機」,用你的電腦螢幕當觀景器,最棒的是:半行電腦程式都不必寫;說來難以相信吧?不過卻是千真萬確。

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好了,不要賣關子了,說穿了,你不要笑,去買一個、或找一個不用的「網路攝影機(Webcam)」,網路拍賣有好多選擇,現在的感光畫素,有好多家產品號稱二、三千萬畫素,有的前面還配有二極燈(LED)燈打光,通常都有USB接線與驅動軟體。

基本上所需要的主要材料,就是這一個;如果你想要做一些放大倍率的變動、固定近拍相機與可調整物件位置等等的話,用用你的腦筋,可從家用材料中改用;如果想要攝影品質好一點的話,可能需要把舊的數位相機鏡頭拆下來用。

先把網路攝影機鏡頭扭轉下來(通常這類的鏡頭都可拆下),手不要摸到鏡頭;接著打開外殼,可以看到類似下張照片的一塊電路板,其中最重要的是那塊感光晶片,其它必要的電子零件也都完整好好的,啥都不要動,接到電腦的接線,更不要動它;如果你和我一樣從小有手癢的毛病,而且不喜歡原本廠商所提供的外殼,可以把外殼拆下丟掉,自己做一個漂亮的盒子,塗上不反光的黑色。

原本的網路攝影機,為何無法做近拍?其實不是不能,而是網路攝影機原本的目的,並不是近拍用的,所以鏡頭的位置放在特定的位置,以便有足夠的拍攝角度讓一般使用者使用;如果你近拍的倍率不會常常改變,只要把剛才所拆下來的鏡頭,反過來黏到原本鏡頭孔就可以了,哇啦!你的網路攝影機,現在已經變成近拍數位顯微照相機!以前要花好幾萬去買顯微鏡、套筒、專用數位相機等等,甭用啦!台語說:「講破不值三文錢」,請把那些省下來的錢拿來請我吃飯!(一笑)。

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為什麼把鏡頭反轉就變成近拍呢?這就扯到一點點光學物理,關鍵在於放大鏡片到感光晶片的距離,這距離越大,成像的放大倍率也越大;有沒有注意到,原本鏡頭內鏡片到感光晶片的距離?當把鏡頭反過來裝的時候,這個距離被拉大了,因而讓放大倍率也增加了。

按:其實放大倍率有兩種方法:一、在我〈石光歲道〉文章所介紹的,是在相機鏡頭前再加一片凸鏡,相當於把相機鏡頭的焦距縮短、也就是鏡頭放大倍率增加了;二、相機鏡頭放大倍率(焦距)不變,但是把鏡頭與感光片的距離拉大,也就是本文所用的方法;這也就是以前底片相機做近拍時,加裝蛇腹或延伸環同樣的道理。

說到放大倍率,到底要怎麼知道呢?如何測量出來呢?為了找出一個簡單的方法,我折磨了好幾天,腦筋陷在死胡同裡走出不來,哈!原來我不是那麼聰明,我脖子上的豬頭和很多別人的差不多「笨/聰明」,為了節省篇幅和大家的痛苦,我個人的痛苦摸索過程就不要說了,直接把解決方法說出來:找一隻有毫米(mm,或更細小精密)刻度的尺,用剛改裝好的近拍照一張,將這張數位相片以100%、也就是不要任何縮放列印出來,用剛才的尺量一下兩個相鄰毫米刻度的距離,這就是該近拍相機的放大倍率,比方說,量出來是99.5毫米,那麼它的放大倍率就可算相當於顯微鏡的100X,就這麼簡單。

前面說過,光是把鏡頭反轉黏裝上,只能得到一個固定的放大倍率,因為鏡頭和感光晶片的距離被黏死了是固定的;那麼,如果需要更高倍率的話,要怎麼辦?其實也不難,在過去的攝影界有一招,就是在相機機身和鏡頭之間,加裝延伸環,老式的相機還可看到折疊式的蛇腹,用以調整兩者的距離;因此,就必須找找材料,自己動手做一個可以伸縮的鏡頭筒,不要忘記要把筒內部漆上不反光的黑色,要不然後果不堪入目。

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至於,哪來可以延伸的管子呢?家裡面拖地掃把柄、窗簾桿、浴室掛塑膠布遮簾那根、…等等等,遠在天邊,也近在眼前,不是嗎?切一段下來,不就是現成的材料?

鏡頭的考慮:

如果想要好一點的相片品質,可能需要改用一個好一點的鏡頭,畢竟,鏡頭的好壞,和相片的品質有絕對無法分割的關係,原本兩三百塊網路攝影機所用的鏡頭,品質能到什麼地步,大概可以猜出來,為何以前老式相機的鏡頭會那麼貴?當然不是沒有道理的;不過,也不必太灰心,現在好多過時的數位相機,不用也白不用丟到垃圾桶,還不如來個廢物利用,把它的鏡頭拆下來,裝到上面的延伸管上面,那不就可以有個可以伸縮的鏡頭了?

使用注意事項:

1. 把相機(含感光晶片與鏡頭)與被拍物件固定下來:每個人只有兩隻手,無法一手拿機身,一手拿鏡頭,又有另外一隻手拿被照的樣本;從經驗來說,找一個攝影用的翻拍架,把相機連同鏡頭固定在上面,被照物放在翻拍架底板上,那就可以只用一隻手調整兩者的距離,一直到影像很清晰;上次〈石光歲道〉文章內介紹愛瘋近拍的最大困擾,就是難以把相機放在正確的焦距距離,手會動來動去。

2. 保持感光晶片與被照物兩個平面的平行,利用翻拍架,很容易達成;請記得,放大倍率越大,攝影的景深(影像清晰的距離)就越淺,當放大到一百倍的時候,景深往往只有一毫米左右,因此,如果這兩者不平行,就會有一部份清晰,另外部份模糊;如何確定兩者盡量平行?裝相機的時候,拿個水平儀幫幫忙,水平儀在五金行都可以買得到。

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3. 要有足夠的照明,照出來的效果才會好,雖然網路攝影機所附的電腦程式可能有調整光圈快門的功能,可是還是比不上有好的光源;最好的光源是免費的自然光,不會有陰影;若是用桌上的檯燈,可能得到有色差的結果:鎢絲燈的色溫只有3200ºK,偏紅;若用省電燈泡(日光燈),則會出現陰冷調,因為這種光源沒有足夠的暖色光;6500ºK的二極燈,或可考慮,但是,最好的還是免費的自然光。

4. 如何在所得的數位照片附上比例尺?首先必須算出放大倍率,然後在影像處理或繪圖軟體內畫出一條照比例長度的線,標註該線的實際長度;比方說,如果放大倍率是80X,則畫一條160mm長的直線,代表實物的2mm。

5. 如何做化石的切面顯微照片?在學術界做化石的切面照片,通常要找人先磨成可透光的薄片,黏在載玻璃上,然後用透光式的顯微鏡去看去照相,這種方法當然有其必要,可是,從業餘的玩石家角度來說,不要說通常沒有整套的顯微鏡和攝影設備,連想磨成可以透光的薄片,也不是那麼容易的事情;不過,我們業餘玩石家,其實還是可以拍到化石切片的照片,我們不用透光式,改用反光式攝影,結果應該沒有差多少;最簡單的方法,就是把要看的化石,先用粗(100目)再用細(1,000目)砂紙磨平,然後拿家裡小朋友玩的塑膠泥土把它固定在翻拍架底座適當位置上,就可以拍攝到該化石的(反光式)近拍切面;記得,盡量保持此切面平行於相機的感光晶片。

這是一根恐龍的小骨頭顯微照片

上面那張照片,就是最好的實證,一根直徑大約只有5毫米的恐龍小骨頭,在80X放大之下,骨頭骨質、血管、骨髓部份等等等,都可以看得清清楚楚;比對於下面這張照片,直徑略同的“骨頭狀”化石,外型很類似,可是內部結構完全不同,哈!這會是什麼碗糕呢?原來是恐龍的腱化石,兩者的結構完全不同!

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哼!怎麼會在同一個地點,找到一般恐龍的化石,也找到恐龍腱呢?恐龍腱只有鳥腳類的恐龍才有的,竟然出現在大部份是原蜥腳類恐龍的地方,真是個有趣的發現啊!

鳥腳類恐龍才會有的恐龍腱化石切面

再來一張更有挑戰的成果照片,這是一根我發現的世界最古老恐龍胚胎,大約二億年前的恐龍胚胎之肋骨,其直徑你自己看照片的比例尺好了。

以區區幾百塊錢的設備,自己在家就能得到如此的成果,優力卡(Eureka)!給自己拍拍手。
更多成果,請見:http://www.facebook.com/#!/DinoDragon?sk=photos

本文原發表於催眠恐龍[2011-02-09]

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timd_huang
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跟我玩恐龍去!

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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為期刊拍張封面 顯微鏡下的科學魔法
顯微觀點_96
・2024/05/27 ・3010字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

希爾思使用VS120拍攝,小鼠大腦矢狀切口上的染色圖像。圖片來源:EVIDENT|Olympus官網

「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」。

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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。

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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。

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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。

Science Trans 1
圖片來源:擷自《Science Translational Medicine vol. 13, issue 595》封面

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。

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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。

Sciencetrans2022 1
圖片來源:擷自《Science Translational Medicine (vol. 14, issue 632》封面 
Jneurosci 3
圖片來源:擷自《The Journal of Neuroscience vol. 38, issue 33》封面

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。

參考資料

  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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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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在連接體迷宮尋找生命意義——專訪 2023 Taiwan 顯微攝影競賽銀獎得主劉柏亨
顯微觀點_96
・2024/04/29 ・4856字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自顯微觀點

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。

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清大腦科學中心是劉柏亨建立神經生物學知識與系統性思考的地方
清大腦科學中心是劉柏亨建立神經生物學知識與系統性思考模式的殿堂,也是每天磨練科學技藝的工作坊。 攝影:楊雅棠

「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』」。

電子顯微鏡下的果蠅
電子顯微鏡下的果蠅。果蠅的基因與人類同源性高,遺傳工程易於操作,並能呈現複雜多樣的行為,是研究腦科學的關鍵模式生物。Courtesy of Wellcome Collection.

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。

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。

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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。

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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。
果蠅腦連接體
果蠅幼蟲腦連接體的全腦圖譜,終於在 2023 年上旬由霍華.休斯醫學研究所、約翰.霍普金斯大學與劍橋大學的團隊合作完成。加入線蟲、海鞘幼蟲(Ciona intestinalis larva)、沙蠶幼蟲(Platynereis dumerilii larva)等生物的行列,達到突觸等級的完全連接體地圖。 Courtesy of Science

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,

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「結構變形,就不是原本要追求的東西,訊號再強也沒有用。」

劉柏亨與擴張後只有灰塵大小的果蠅腦樣本。
劉柏亨與擴張後依然只有灰塵大小的果蠅腦樣本。 攝影:楊雅棠

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。」

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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。

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「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。
劉柏亨善於以日常生活譬喻科學知識。圖為20203顯微攝影競賽作品展覽現場
劉柏亨善於以日常生活譬喻科學知識。圖為 2023顯微攝影競賽作品展覽現場。攝影:林任遠

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。」

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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。

機器管家
《機器管家》以晶片使機器得到情感能力的技術令人神往,同時也不斷促使觀眾反思「人」與「生命」的定義。 Courtesy of Wikipedia

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。」

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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。