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為什麼大腦如此耗能?——淺談神經元的基本構造和功能

Heidi_96
・2022/04/13 ・4565字 ・閱讀時間約 9 分鐘

身為人體總司令,大腦每單位重量所消耗的能量,約為其他器官的 8 至 10 倍[1]。所以,即使大腦只佔據人體總重量的 2%,仍然得消耗人體高達 20% 的總能量才能保持運作,就連休息和睡覺時,消耗的能量也絲毫不減。

為什麼大腦這麼輕,卻得消耗如此多的能量呢?

以往,科學家認為這和「腦電活動」有關,也就是腦內神經元運作時,所產生的電活動。神經元是神經系統負責傳遞訊息的基本單位。這些細胞形狀細長,結構可分為三個部分:細胞本體、樹突(dendrite)和軸突(axon)。樹突看起來就像樹枝,有很多專一性受體,可以接收來自上一個神經元的神經傳導物質。

神經元形狀細長,結構可分為三個部分:細胞本體、樹突和軸突。圖/國家實驗研究院

靜止膜電位:穩定的休息狀態

在樹突沒有收到化學訊號的狀態下,神經元的靜止膜電位(resting membrane potential)約為 -70 mV;也就是說,在休息狀態時,神經元內的電壓相較於細胞外低了 70 mV。造成電位差的關鍵在於細胞膜外的正離子(鈉離子,Na+)比較多,膜內的正離子(鉀離子,K+)比較少。

可是,物質不都是從高濃度往低濃度的地方移動嗎?為什麼還可以維持在 -70 mV 呢?

第一,是透過主動運輸。這種運輸方式必須消耗能量才能進行,而負責這項任務的就是細胞膜上的「鈉鉀幫浦」(Na+/K+-ATPase)。鈉鉀幫浦所消耗的能量是三磷酸腺苷,也稱作 ATP,是細胞的「能量貨幣」,專門儲存和提供能量。幫浦每消耗 1 個 ATP,就可以將 3 個鈉送出細胞,再將 2 個鉀送入細胞。只要幫浦不斷運作,就能維持恆定的離子濃度差,使得細胞外有較多鈉離子,而細胞內則有較多鉀離子。

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ATP(C10H16N5O13P3)是細胞的「能量貨幣」,專門儲存和提供能量。圖/Wikipedia

第二,是透過被動運輸。這種運輸方式不需要消耗任何能量,只要有濃度差異,離子就可以經由通道蛋白,從高濃度處擴散到低濃度處。然而,細胞膜上的鉀離子通道蛋白數量較多,約為鈉離子通道蛋白的 50 倍,所以鉀離子可以輕鬆離開細胞,鈉離子卻難以回到細胞,使得細胞內部正離子數量較少。

那麼,收到化學訊號時,神經元的膜電位會怎麼變化呢?

動作電位:活躍的工作狀態

剛剛提到神經元的靜止膜電位約為 -70 mV,細胞膜內帶負電、膜外帶正電,這種兩極化的電荷環境,稱為「極化」(polarization)。當神經傳導物質和樹突上的受體結合,受體就會根據接收到的訊號種類,調整離子通道的通透性。

在極化階段,鈉離子通道(紫)和鉀離子通道(橘黃)皆未開啟,只有鈉鉀幫浦(藍綠)持續進行主動運輸。圖/Wikipedia

比方說,若是收到興奮性的訊號(專有名詞是「興奮性突觸後電位」;EPSP),就會增加細胞膜對鈉離子的通透性,使鈉離子流入細胞內。因為鈉離子帶有正電,原本維持在 -70 mV 的膜電位就會上升。若是膜電位高於 -55 mV 的閾值,軸突前端的軸丘(axon hillock)就會立即反應,產生動作電位(action potential),以電訊號的形式打開附近所有鈉離子通道,使得鈉離子大量湧入細胞,形成「去極化」(depolarization)。

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在去極化階段,鈉鉀幫浦(藍綠)暫停運作,鈉離子通道(紫)開啟,使得鈉離子進入細胞,提升膜電位。圖/Wikipedia

動作電位啟動後,膜電位通常可以衝高到 40 mV。為了平衡細胞膜內過多的正電荷,鈉離子通道便會關閉,而鉀離子通道會同步打開,讓細胞內的鉀離子流出細胞,使得膜電位再次回到帶負電的狀態,稱為「再極化」(repolarization)。

可是,因為鉀離子通道關閉速度較為緩慢,所以當膜電位回復到 -70 mV 時,鉀離子仍不斷流出細胞,造成電位低於靜止膜電位的「過極化」(hyperpolarization)現象。此時,鈉鉀幫浦就會主動消耗 ATP,重複將 3 個鈉離子送出細胞,再將 2 個鉀離子送回細胞的循環,讓膜電位和離子濃度都順利回到最初的極化狀態。

在過極化階段,鈉離子通道(紫)關閉,鉀離子通道(橘黃)開啟,使得鉀離子流出細胞,降低膜電位。圖/Wikipedia

以上四階段(極化、去極化、再極化、過極化)就是一個完整的動作電位!

另一方面,若是樹突上的受體收到抑制性的訊號(專有名詞是「抑制性突觸後電位」;IPSP),就會增加對鉀離子的通透性,使鉀離子流出細胞外,造成原本帶負電的狀態更加極端,無法達到閾值,便不會產生動作電位。

要注意的是,動作電位通常不是根據單一訊號刺激而產生,畢竟神經元隨時都在接收各種不同的訊號,但無論如何,只要加起來的電位變化強度超過閾值,就可以產生動作電位,反之則不會引起任何神經傳導反應。這就是動作電位的「全有全無律」(all-or-none law)。

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若是膜電位高於 -55 mV 的閾值,軸丘就會立即反應,產生動作電位。圖/A-Level Biology

動作電位如何傳導電訊號?

軸丘產生動作電位後,並不會反傳回細胞本體,而是傳給隔壁的軸突。軸突是一條細長的神經纖維,只要最前端產生動作電位,就可以引發後續一連串的反應。整個過程類似大隊接力,而且不會往回傳,因為當訊號傳送到下一個位置時,前一個發生動作電位的地方處於再極化狀態,鈉離子通道沒有開放,所以無法同時進行去極化。如此一來,就能確保電訊號單向傳導。

當電訊號抵達軸突末端的突觸(synapse)時,會刺激突觸小泡(synaptic vesicle)釋放神經傳導物質,以化學刺激的形式將訊息傳遞出去。下一個神經元的樹突接收到訊號後,就會根據訊號類型,開啟鈉離子通道(引發去極化,產生動作電位)或鉀離子通道(引發過極化,不產生動作電位)。綜上所述,神經系統就是透過神經元不斷重複這樣的循環來傳遞訊息。

動作電位四階段:(1)極化、(2)達到閾值、(3)去極化、(4)再極化、(5)過極化。圖/國家實驗研究院

最新研究發現大腦耗能的關鍵

現在,我們大致知道了神經元如何以電訊號和化學訊號傳導訊息。(如果你沒有看懂,那也沒關係,總之這整個過程都需要燃燒大量 ATP!)科學家以往都認為大腦之所以這麼耗能,就是因為神經元隨時都在消耗 ATP,而且這些神經元的數量多達 860 億個[2]。可是,過去幾十年的臨床研究發現,在植物人和重度昏迷患者腦內,神經元產生的電活動極少,大腦消耗的能量卻沒有明顯下降。

如果不是電活動,那究竟是什麼消耗了這麼多能量?

去(2021)年底發布在《Science Advances》期刊的一篇研究公布了答案。研究團隊來自威爾康奈爾醫學院(Weill Cornell Medicine),第一作者是提姆.萊恩(Timothy Ryan)教授,他專攻生物化學和結構生物學。近年來,他的團隊深入研究神經元的突觸,試圖找出大腦耗能的原因。有鑑於老鼠的大腦結構和神經迴路都近似人腦,團隊決定透過實驗鼠進行研究。

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萊恩教授的團隊深入研究突觸,試圖找出大腦耗能的原因。圖/The Rockefeller University

首先,團隊使用毒素,讓實驗鼠的神經元停止運作,阻斷電訊號,卻發現突觸仍然持續消耗能量。為了進一步釐清原因,團隊將焦點轉移到專門儲存、釋放神經傳導物質的突觸小泡,讓小泡表面各種不同功能的幫浦失去活性,使得突觸無法釋放相對應的化學訊號。

與此同時,團隊利用螢光顯微鏡觀察突觸。經過比對後,發現正在偷偷燃燒 ATP 的是一種稱為「氫離子幫浦」(proton pump)的通道蛋白,其運作形式類似鈉鉀幫浦。研究結果顯示,即使神經元處在休息狀態,突觸小泡內的氫離子幫浦仍然得持續工作,將不同的神經傳導物質送進小泡待命,以備不時之需。可是,作為交換,幫浦會帶走小泡內部的氫離子(H+)。

如果進入小泡的化學物質是甘氨酸、麩胺酸或 GABA,幫浦就會帶走 1 個氫;如果是血清素、多巴胺、組織胺、乙醯膽鹼或正腎上腺素,幫浦則會帶走 2 個氫[3]。有時候,就算沒有任何化學物質進入小泡,幫浦還是會偷偷帶走氫離子,造成小泡內部的氫離子濃度下降。為了維持穩定的離子濃度,突觸小泡必須不斷製造氫離子才能滿足需求,而這樣的過程佔據了 44% 的突觸能量消耗。

研究團隊使用巴佛洛霉素(bafilomycin)抑制氫離子幫浦,發現實驗鼠的突觸能量消耗剩下 56%(圖 E 紅色長條),代表氫離子幫浦的作用佔據了 44% 的突觸能量消耗。圖/Science Advances

萊恩教授表示,雖然每次流失的氫離子數量不多,也就一兩個,但是神經元數量非常多,「即使沒有任何電活動,整體能量消耗依然非常可觀。」目前還不清楚大腦為什麼會有這種機制,很可能是為了預先儲存神經傳導物質,因應突如其來的電訊號,「就像是高速空轉的賽車引擎,雖然會浪費額外的燃料,卻能以更快的速度起步。」

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萊恩和他的團隊認為這份研究成果非常可貴,能讓人類對於大腦有更透徹的瞭解,也希望將來能用於治療帕金森氏症(Parkinson’s disease)這類神經退化性疾病。他表示帕金森氏症患者的大腦可能沒有足夠的能量合成 ATP,「這就像是讓一輛油管破裂的賽車高速空轉,很容易釀成大禍。」

註解

  1. Pulido, C., & Ryan, T. A. (2021). Synaptic vesicle pools are a major hidden resting metabolic burden of nerve terminals. Science Advances, 7(49). https://doi.org/10.1126/sciadv.abi9027 
  2. Azevedo, F.A., Carvalho, L.R., Grinberg, L.T., Farfel, J.M., Ferretti, R.E., Leite, R.E., Filho, W.J., Lent, R. and Herculano-Houzel, S. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology, 513(5), 532-541. https://doi.org/10.1002/cne.21974 
  3. Synaptic vesicle – Wikipedia

參考資料

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PanSci 編輯部角落生物|外語系畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。

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停工即停薪:如何證明你的時間值多少?車禍背後的認知 x 情緒 x 金錢 x 法律大混戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/01/09 ・3351字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與 PAMO車禍線上律師 合作,泛科學企劃執行

走在台灣的街頭,你是否發現馬路變得越來越「急躁」?滿街穿梭的外送員、分秒必爭的多元計程車,為了拚單量與獎金,每個人都在跟時間賽跑 。與此同時,拜經濟發展所賜,路上的豪車也變多了 。

這場關於速度與金錢的博弈,讓車禍不再只是一場意外,更是一場複雜的經濟算計。PAMO 車禍線上律師施尚宏律師在接受《思想實驗室 video podcast》訪談時指出,我們正處於一個交通生態的轉折點,當「把車當生財工具」的職業駕駛,撞上了「將車視為珍貴資產」的豪車車主,傳統的理賠邏輯往往會失靈 。

在「停工即停薪」(有跑才有錢,沒跑就沒收入)的零工經濟時代,如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?又該如何在保險無法覆蓋的灰色地帶中全身而退?

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如果運氣不好遇上車禍,我們該如何證明自己的時間價值?/ 圖片來源: Nano Banana

薪資證明的難題:零工經濟者的「隱形損失」

過去處理車禍理賠,邏輯相對單純:拿出公司的薪資單或扣繳憑單,計算這幾個月的平均薪資,就能算出因傷停工的「薪資損失」。

但在零工經濟時代,這套邏輯卡關了!施尚宏律師指出,許多外送員、自由接案者或是工地打工者,他們的收入往往是領現金,或者分散在多個不同的 App 平台中 。更麻煩的是,零工經濟的特性是「高度變動」,上個月可能拚了 7 萬,這個月休息可能只有 0 元,導致「平均收入」難以定義 。

這時候,律師的角色就不只是法條的背誦者,更像是一名「翻譯」。

施律師解釋「PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言。」 這包括將不同平台(如 Uber、台灣大車隊)的流水帳整合,或是找出過往的接單紀錄來證明當事人的「勞動能力」。即使當下沒有收入(例如學生開學期間),只要能證明過往的接單能力與紀錄,在談判桌上就有籌碼要求合理的「勞動力減損賠償 」。

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PAMO車禍線上律師的工作是把外送員口中零散的『跑單損失』,轉譯成法官或保險公司聽得懂的法律語言 / 圖片來源: Nano Banana

300 萬張罰單背後的僥倖:你的直覺,正在害死你

根據警政署統計,台灣交通違規的第一名常年是「違規停車」,一年可以開出約 300 萬張罰單 。這龐大的數字背後,藏著兩個台灣駕駛人最容易誤判的「直覺陷阱」。

陷阱 A:我在紅線違停,人還在車上,沒撞到也要負責? 許多人認為:「我人就在車上,車子也沒動,甚至是熄火狀態。結果一台機車為了閃避我,自己操作不當摔倒了,這關我什麼事?」

施律師警告,這是一個致命的陷阱。「人在車上」或「車子沒動」在法律上並不是免死金牌 。法律看重的是「因果關係」。只要你的違停行為阻礙了視線或壓縮了車道,導致後方車輛必須閃避而發生事故,你就可能必須背負民事賠償責任,甚至揹上「過失傷害」的刑責 。 

數據會說話: 台灣每年約有 700 件車禍是直接因違規停車導致的 。這 300 萬張罰單背後的僥倖心態,其巨大的代價可能是人命。

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陷阱 B:變換車道沒擦撞,對方自己嚇到摔車也算我的? 另一個常年霸榜的肇事原因是「變換車道不當」 。如果你切換車道時,後方騎士因為嚇到而摔車,但你感覺車身「沒震動、沒碰撞」,能不能直接開走?

答案是:絕對不行。

施律師強調,車禍不以「碰撞」為前提 。只要你的駕駛行為與對方的事故有因果關係,你若直接離開現場,在法律上就構成了「肇事逃逸」。這是一條公訴罪,後果遠比你想像的嚴重。正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。

正確的做法永遠是:停下來報警,釐清責任,並保留行車記錄器自保 。/ 圖片來源: Nano Banana

保險不夠賠?豪車時代的「超額算計」

另一個現代駕駛的惡夢,是撞到豪車。這不僅是因為修車費貴,更因為衍生出的「代步費用」驚人。

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施律師舉例,過去撞到車,只要把車修好就沒事。但現在如果撞到一台 BMW 320,車主可能會主張修車的 8 天期間,他需要租一台同等級的 BMW 320 來代步 。以一天租金 4000 元計算,光是代步費就多了 3 萬多塊 。這時候,一般人會發現「全險」竟然不夠用。為什麼?

因為保險公司承擔的是「合理的賠償責任」,他們有內部的數據庫,只願意賠償一般行情的修車費或代步費 。但對方車主可能不這麼想,為了拿到這筆額外的錢,對方可能會採取「以刑逼民」的策略:提告過失傷害,利用刑事訴訟的壓力(背上前科的恐懼),迫使你自掏腰包補足保險公司不願賠償的差額 。

這就是為什麼在全險之外,駕駛人仍需要懂得談判策略,或考慮尋求律師協助,在保險公司與對方的漫天喊價之間,找到一個停損點 。

談判桌的最佳姿態:「溫柔而堅定」最有效?

除了有單據的財損,車禍中最難談判的往往是「精神慰撫金」。施律師直言,這在法律上沒有公式,甚至有點像「開獎」,高度依賴法官的自由心證 。

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雖然保險公司內部有一套簡單的算法(例如醫療費用的 2 到 5 倍),但到了法院,法官會考量雙方的社會地位、傷勢嚴重程度 。在缺乏標準公式的情況下,正確的「態度」能幫您起到加分效果。

施律師建議,在談判桌上最好的姿態是「溫柔而堅定」。有些人會試圖「扮窮」或「裝兇」,這通常會有反效果。特別是面對看過無數案件的保險理賠員,裝兇只會讓對方心裡想著:「進了法院我保證你一毛都拿不到,準備看你笑話」。

相反地,如果你能客氣地溝通,但手中握有完整的接單紀錄、醫療單據,清楚知道自己的底線與權益,這種「堅定」反而能讓談判對手買單,甚至在證明不足的情況下(如外送員的開學期間收入),更願意採信你的主張 。

車禍不只是一場意外,它是認知、情緒、金錢與法律邏輯的總和 。

在這個交通環境日益複雜的時代,無論你是為了生計奔波的職業駕駛,還是天天上路的通勤族,光靠保險或許已經不夠。大部分的車禍其實都是小案子,可能只是賠償 2000 元的輕微擦撞,或是責任不明的糾紛。為了這點錢,要花幾萬塊請律師打官司絕對「不划算」。但當事人往往會因為資訊落差,恐懼於「會不會被告肇逃?」、「會不會留案底?」、「賠償多少才合理?」而整夜睡不著覺 。

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PAMO看準了這個「焦慮商機」, 推出了一種顛覆傳統的解決方案——「年費 1200 元的訂閱制法律服務 」。

這就像是「法律界的 Netflix」或「汽車強制險」的概念。PAMO 的核心邏輯不是「代打」,而是「賦能」。不同於傳統律師收費高昂,PAMO 提倡的是「大腦武裝」,當車禍發生時,線上律師團提供策略,教你怎麼做筆錄、怎麼蒐證、怎麼判斷對方開價合不合理等。

施律師表示,他們的目標是讓客戶在面對不確定的風險時,背後有個軍師,能安心地睡個好覺 。平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。

平時保留好收入證明、發生事故時懂得不亂說話、與各方談判時掌握對應策略 。 / 圖片來源: Nano Banana

從違停的陷阱到訂閱制的解方,我們正處於交通與法律的轉型期。未來,挑戰將更加嚴峻。

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當 AI 與自駕車(Level 4/5)真正上路,一旦發生事故,責任主體將從「駕駛人」轉向「車廠」或「演算法系統」 。屆時,誰該負責?怎麼舉證?

但在那天來臨之前,面對馬路上的豪車、零工騎士與法律陷阱,你選擇相信運氣,還是相信策略? 先「武裝好自己的大腦」,或許才是現代駕駛人最明智的保險。

PAMO車禍線上律師官網:https://pse.is/8juv6k 

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真實世界的所有問題,都是跨領域問題-朱士維專訪
顯微觀點_96
・2025/09/20 ・5074字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自顯微觀點

主持台大生醫光學實驗室的朱士維,在 2023 年初兼任台大學務長。他一面落實以學生為核心的大學價值,一面持續鑽研光學與生物組織、奈米結構的互動。

近年朱士維參與的研究包含觀察「活的小鼠大腦」如何自我調節、以光激發出奈米材料的新物理性質等。這些研究登上《自然通訊》(Nature Communication)、《先進科學》(Advanced Science)等重要期刊,以尖端光學技術為腦科學、奈米材料探照未知之處。

對於生醫領域的精密光學應用,朱士維說明,光學顯微技術介於醫學造影和電子顯微鏡之間:醫學造影提供即時成像,但解析度不夠精密。電子顯微鏡可以達到奈米解析度,卻無法保持樣本活性。而持續發展的光學顯微術則開始達成快速的高解析度活體影像,讓科學家看到真實生理。

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活體顯微影像的追求不出四大方向:對比、解析度、穿透深度、速度。

– 朱士維

雙光子顯微術搭配人工智慧 追上神經生理

2024 年,朱士維領銜的台大、清大聯合團隊研發高速體積成像系統 TAG-SPARK (TAG-lens-based SPAtial redundancy-driven noise Reduction Kernel),以可調式聲學梯度變焦透鏡(Tunable Acoustic Gradient, TAG lens)結合自我監督式深度學習演算法,顯微影像成果比單用雙光子顯微術清晰 10 倍,掃描速度快上近 1000 倍。

TAG-SPARK 的聲學梯度變焦透鏡,以聲波控制特殊透鏡內的液體振動、改變折射率,使雙光子顯微光路可以在 1 秒內完成多個深度的對焦,快速建立 3D 影像。在高速體積成像的支援下,研究團隊設計的演算法利用每層平面影像間豐沛的空間冗餘(spatial redundancy)資訊進行去噪(noise reduction),讓影像訊噪比改善7倍以上。

TAG-SPARK 以不同速度對活體小鼠的腦部進行鈣離子掃描成像,可以看見在不同深度的樹突、細胞體構造以及運作時的電位變化。來源/TAG-SPARK: Empowering High-Speed Volumetric Imaging With Deep Learning and Spatial Redundancy

高速度和高品質的立體顯微影像,讓科學家以接近神經運作的速率,觀察活體小鼠的小腦動態。研究團隊以小腦中的柏金氏細胞(Purkinje cells)作為觀察目標,它們是小腦皮層唯一的輸出神經元,掌控小腦的訊號傳輸與身體日常運作。柏金氏神經細胞的樹突緻密分布於小腦皮質最外側的分子層(molecular layer),細胞體則聚集在更深處的分子層與顆粒細胞層(granule cell layer)之間,獨立形成柏金氏層。

傳統顯微方法不易穿透其深度觀察細胞體動態,若使用共軛焦顯微術,強力激發光卻容易傷害腦細胞。但雙光子顯微術在觀察活體組織時,則可以提供較深的焦平面和較低的光毒性。

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透過 TAG-SPARK, 研究團隊不僅詳細記錄柏金氏細胞動態,更發現相同的樹突訊號能導致柏金氏細胞體產生不同反應,呈現前所未見的有趣訊號模式。朱士維相信「意識是資訊的集合」,高速立體光學成像系統能讓我們看見腦中資訊的聚散,更進一步接近「何謂意識」這個世紀之謎。

柏金氏細胞卵狀的細胞體位於小腦皮層較深處,緻密的樹突則延伸至表面的分子層,因此要觀察其運作時的全貌,需要能夠快速地變換焦點深度。來源/Wikimedia

朱士維也參與由台大生科系教授陳示國領導的跨校團隊,以雙光子顯微術結合梯度折射(Gradient-Index, GRIN, 物鏡內有不同折射率的微型透鏡平行排列)內視鏡,觀察小鼠的晝夜節律神經系統的真實運作狀況。

這支結合生命科學、物理以及工程科學的研究團隊測試大腦底部「視交叉上核」(suprachiasmatic nucleus,SCN)神經細胞對光線變化的反應。在團隊中,朱士維負責提供精密顯微影像,研究活體腦神經元生理不可或缺的觀察工具。

團隊利用朱士維研發的雙光子-GRIN顯微內視鏡(雙光子顯微術搭配GRIN內視鏡),從樹突叢集的鼠腦表層看進神經細胞體聚集處。他們發現,即使樹突受到相同光訊號刺激,節律神經細胞體可能以不同的方式回應,並由複數神經元整合資訊,再行輸出訊號給下游神經元。

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研究團隊認為,在多種神經元的交織協力下,晝夜節律的神經生理呈現高度動態變化。神經細胞活動與光照的關係並非傳統想像的線性模式,而是雙穩態(bi-stability, 系統中有 2 個調節開關)的靈活調控,而單一類型神經細胞對光照的反應難以預測,生理時鐘內還有許多奧秘等待探索。

與跨領域學者合作,並非一帆風順。朱士維坦言,跨足生物學領域,他還有很多知識要補充、溝通門檻要跨越。

他笑稱,「光是合作對象經常討論的果蠅蕈狀體,我聽了 3 年才認為自己真的懂了。」對他來說,跨領域合作最重要的收穫之一,就是尊重不同領域之間的知識含量。其次,則是溝通的技術。

我維持了幾年的一知半解才了解合作對象的語言,那我務必要讓自己說出來的話非常容易理解。

– 朱士維

除了生醫應用,朱士維也在物理工程領域探索新的光學現象。他與中國、日本學者合作研究奈米材料上的非線性光學,發現與米氏散射原理相關的移位共振,能夠激發矽奈米結構的多極模態(multipolar modes)。

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透過共軛焦反射顯微鏡光路達成的多極模態,讓奈米材料展現幾項嶄新的光學效應,如更低的光學非線性閾值、光開關的訊號反轉(sign flip)、空間解析度提升等。不僅開啟了操控米氏共振的新方法,也擴張了超過百年的經典光散射理論。

以共軛焦顯微鏡觀察高強度雷射照射下的矽奈米立方體的非線性散射,上圖中矽立方體寬度為180奈米(中央圖)時,可以得到最強的移位共振效果。圖/Multipole engineering by displacement resonance: a new degree of freedom of Mie resonance.

這些精采研究涵蓋跨領域、跨國界的合作,並非巧合,而是出於朱士維的世界觀。他深信,「真實世界的所有問題,都是跨領域問題。」在大學教室裡,他也以此觀念為學生設定學習方向。

討論與實作優先的大學教育

在大一、大二的基礎課程中,朱士維就會要求學生提出研究計畫、動手進行研發。他強調,讓學生從具體而明確的問題出發,親手進行研究。在研究中遇到挑戰、企圖解決時,學生自然會尋找需要的知識。

朱士維回想,「修課學生果然從很務實的角度發想,有人的提案是『保證起床的鬧鐘』,結合物理知識和現實可行的元件,做出不會被輕易關掉的鬧鐘,讓他可以準時上課。他在學期末真的做出了這個鬧鐘。」

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朱士維認為,在豐富的現代資訊環境中,幾乎所有理論知識都可以線上學習,在教室上實體課程的必要性遠不如以往。至於實體課程最珍貴的部份是讓人當面討論、激盪想法,讓積極學習的學生們能夠聚集、交流,而非要求學生安靜聽課、被動吸收。

朱士維相信,大學教育的重要目標之一,是訓練學生主動採取行動的習慣,並讓他們知道必須主動追求,才能完成自己心中的期待。因此親自規畫、動手(腳)實踐,是他所有課程的必備基礎。

除了物理系,朱士維也在臺大創新設計學院(College of Design and Innovation,簡稱 D-School)開設課程,引導學生以「設計師」、「使用者」觀點建構自己的大學生活與生涯規劃。

朱士維特別說明,D-School 設有創新領域學士學位學程,讓學生能夠跳脫舊有領域框架自訂學習主題。讓學生能實現自己對知識的構想,或許比舊有科系分野更能適應快速變化的社會。他強調,「學生原創的課程組合,是可以得到學士學位的。」

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主修社團,副修電機

談及學習經驗,朱士維說,「我常常說自己大學主修『嚕啦啦社』,副修電機系。大學4年中至少有1年在山上過,成績排名也因此往往是後半段。」但他認為,自己重要的「能力」如溝通協調、事前規劃、親手解決問題的信念,都是在社團經歷中學到的。

朱士維回想,他在高中時參與了救國團服務隊舉辦的山區營隊,活動內容相當刻苦簡樸,但他十分羨慕服務隊成員們能住在優美山林間,心想「等我上大學,一定要成為其中一員。」

進入台大嚕啦啦社並擔任服務隊員後,朱士維不僅培養了在山野間帶隊行進的嚮導經驗,也經常為了團康活動面對群眾。他說,「服務員經常得一手掌握團隊氣氛,活動才會成功。」他回想,當年為了達到這樣的能力,投入許多時間認真練習,經過跌跌撞撞的多次嚐試,才塑造出自己的風格。

後來得到「優良導師」與多次「教學優良教師」獎項的朱士維分析,這種能力其實就是「溝通」。但是他當時並非盤算著,「有天我會成為教師,能把這種技巧發揮在教室裡。」而是對當下的任務很投入,進行一件自己真的很想做的事情,在過程中內化了這項能力。

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做學術研究不可或缺的計畫書,我也是在社團學到怎麼寫的,因為當時想申請更多經費來辦活動。朱士維

朱士維說自己「主修社團,副修電機」,但並非認為學業與成績不重要,而是希望學生投入當下自己真正想做的事情,不論是學術、社團或是其他事物,只要真心投入都會有所回報。攝影/楊雅棠

因為自身經歷,朱士維相信,讓學生能投入自己真的想做的事情,才能培養長期的能力與素養。為了帶給學生自由探索的時間與空間,朱士維也強力支持 D-School 中的「探索學習」計畫。

選擇「探索學習」的學生,不再受到學期學分下限要求,可以自行前往校園外進行探索,建構自己的志向與經驗。選擇此計畫的學生,有人加入 NGO、有人進入動物園與馬場實習,還有人搭乘無動力帆船橫跨大洋,獲得課堂中無法給予的重要體驗。

朱士維認為,親身體驗,遠比聽講的學習效果更好。而離開校園探索世界的深刻體驗,未必會讓人遠離學術。

提及學術起點,朱士維不好意思地說,當年之所以報考台大光電研究所,「是因為想要繼續參加社團,要是離開台大,社團生涯就結束了。」

研究所開學不久,921 大地震撼動台灣,中部災情尤其嚴重。朱士維聽聞大學時期經常前往、充滿熟悉與認同的南投山區也遭受重創,便和指導老師孫啟光請假,前往災區協助賑災。

朱士維回憶,孫啟光乾脆地答應他的請求,即使他離校超過一個月才回歸實驗室,也不曾額外施加壓力。經過了在南投山區鎮日搬運物資、不時目擊傷亡狀況的賑災經驗,他回到台大光電研究所時,同學們大多已在研究軌道上運作。

朱士維說,「當時我並沒有對研究成果想太多,而是想回報孫老師。因為他給我很大的彈性、研究主題又有趣,就專心投入他的計畫。想不到,幾個月後研究成果竟登上國際期刊。至今我還記得看到自己名列期刊之中的感動,也在那時開始覺得『我或許可以走學術這條路!』」

因為充滿因緣際會的生涯際遇,朱士維相信,「全心投入的事情,都會在生涯某處開花結果。比起嚴密生涯規畫更重要的,是當下的自己、周遭的人與環境,找到自己想投入的事情。」

從「好好生活」出發的學務長

一進入朱士維的學務長辦公室,能看到一幅對聯「好好生活。感恩助人」,書桌後方則並列三幅春聯「好好生活」、「好好吃飯」、「好好睡覺」。

朱士維說,學務處實際上掌管學生除了成績外的所有在校事務,而大學除了學業成績外,更應該協助學生培養人格和價值觀。因此,他將學務處設定為學生在校期間的支持與賦能來源。

台大學務長辦公室中的朱士維。攝影/楊雅棠

台大學務處網站上的理念「好好生活,吃飯睡覺運動交友;感恩助人,學生互助回饋社會。」就是朱士維為學務處設立的目標。他強調,將學生推向世界,能夠與自身、週遭人事物建立真實的連結,是比追求課業成績更優先的大學價值。

因此他規劃學務處擴改善硬體設施、增加軟體服務,從社團資源、宿舍、餐廳、心輔中心到新的經濟支持計畫,提供學生友善、包容的生活環境。他期待學生能夠在生活中感到安定,進而察覺值得感恩的事,得到感激並協助他人的能力,形成助人的循環。

朱士維回想,自己在台大的社團與求學經驗都讓他心懷感恩,包括在台大擔任教師也是非常幸運的事。現在,他致力為台大學生建立可以安心探索自我與真實世界的大學環境,以充滿感動的學習經驗,取代孤獨且競爭激烈的人生賽道。

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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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解開夢境的奧秘:腦電活動如何塑造我們的做夢能力?——《我們為何會做夢》
PanSci_96
・2024/11/04 ・2465字 ・閱讀時間約 5 分鐘

清醒開顱揭開夢的產地

我在手術室進行清醒開顱手術時,會使用像筆一樣的設備,直接以微電流刺激測試患者的大腦。那暴露在外、皺摺起伏的大腦表面閃爍著乳白色的微光,布滿了動脈與靜脈。而患者意識清醒、機敏,但感覺不到疼痛,因為腦部沒有痛覺受器,但會對電流刺激產生反應。每個人的大腦都是獨一無二的,有些區域一旦被觸碰,就會受到刺激活化。有時,我觸碰一處,患者會說出童年記憶;刺激另一處時,患者會聞到檸檬的味道;再碰另一處,患者也許會感到悲傷、尷尬,甚至是慾望。

清醒開顱手術的目的,是為了找出不受微電流影響的精確位置,如此一來,我便可從此處安全地下刀,切開表面組織以觸及下方的腫瘤。若微電流刺激未產生任何反應,我便清楚割除此處不會造成任何功能受損。

進行清醒開顱手術時,我以幾毫米的距離有條不紊地逐一刺激患者腦部最外層的大腦皮質(cerebral cortex),這會為患者帶來奇異且深刻的體驗,有時感覺甚至強烈到患者要求我停手,此時,我便必須暫停手術。儘管大腦皮質只有薄薄一層,厚度不超過六毫米,卻主導了我們大半的個人能力,包含語言、感知、記憶和思想。那嘶嘶作響、微弱的電流,能引發患者各種反應,例如聽見聲音、回憶起創傷事件、體驗深刻的情感──甚至做夢。

事實上,惡夢可透過電刺激(electrical stimulation)誘發,只要將電極探頭從大腦表面某個隆起處移開,惡夢就會終止;一旦用電極刺激同一處,惡夢就會再度出現。現今認為,反覆出現的惡夢是自行維持的神經元電活動循環,重現我們恐懼的經歷。

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惡夢可由電刺激誘發,反覆惡夢源於恐懼記憶的神經循環。 圖/unsplash

夢境背後的生理奧秘

無庸置疑地,我的專業回答了人類其中一項最原始的疑問:夢從何而來?對此,我可以斷言,夢境源自於我們的大腦,尤其是腦部的電活動(electrical activity)。

從古至今,夢真正的起源一直令人困惑,我們也缺乏基本的了解。在人類歷史的長河中,夢多半意味著來自神靈、魔鬼或祖先的訊息,或是靈魂夜半出竅所搜集到的資訊。我們頭顱內看似毫無活動的一坨組織,是人最難以想像的夢的來源。大家普遍認為,人入睡時,頭腦處於休眠狀態,只是被動的容器,因此,夢不可能是睡眠的產物。怎麼可能是呢?我們的大腦與外界的訊號隔絕,在此情況下,它如何能成為這種夜間奇觀的來源?夢的起源肯定來自遠比我們自己更偉大、超然的力量。

當然,現今已知,所有意識都源於腦電活動,包含做夢在內。事實證明,做夢的腦和清醒的腦一樣活躍。而且,部分睡眠階段所測到的腦電強度和模式,看來與我們清醒時幾乎並無二致。此外,人在做夢時,某些腦部區域消耗的能量可能超過清醒時,尤其是情緒和視覺中樞。我們清醒時,大腦通常會將情緒和邊緣系統(與情緒、本能、學習記憶有關的大腦區塊)的代謝活動上調或下調 3% 至 4%,但做夢時的腦可將邊緣系統的代謝活動提高至 15%,十分驚人。這表示做夢時,可達到人清醒時生理上難以達到的情緒強度。換言之,你在做夢時,最是「生氣勃勃」。

夢境時腦活動與清醒時相似,情緒強度甚至高於清醒狀態。圖/unsplash

人在做夢時,大腦活動十分活躍,我們視線清晰、感受深刻,還能自由移動。夢之所以對我們影響深重,是因為我們將夢境的體驗視為真實。從生理上而言,我們在夢裡感受到的快樂與清醒時無異,恐怖、沮喪、性興奮、憤怒和懼怕等情緒亦是如此。同理,我們在夢中的身體經歷感覺也很真實。在夢裡奔跑時,運動皮質(motor cortex)會被啟動,與我們真正在跑步時所使用的腦部區域相同;當我們在夢裡感受到愛撫,就如同人在清醒時一樣,感覺皮質(sensory cortex)會受到刺激;回想自己過往住處的回憶,會使負責視覺感知的枕葉被活化。

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有些人聲稱,他們從不做夢。但實際上,幾乎人人都會做夢,只是並不是每個人都會記得自己的夢。人做夢並非出於選擇,而是生存所需。我們睡眠不足時,入睡後最先發生的事就是做夢;倘若睡眠充足,但做夢不足,一睡著後也會立刻開始做夢。即便無法入睡,人也會產生生動的夢。世上有一種罕見且致命的遺傳疾病,名為「致死性家族失眠症」(Fatal Familial Insomnia),罹患此疾的患者幾乎無法睡眠,但對他們而言,做夢的需求十分強烈,以致於白天會出現做夢般的狀態。做夢對人類而言不可或缺。

快速動眼期之外的夢境

過去數十年來,關於夢的研究多半著眼於特定的睡眠階段,即快速動眼期(rapid eye movement,REM)睡眠。研究人員歸納的結論是,我們每晚大約會花兩小時做夢。換算下來,這表示人的一生中,約有十二分之一的時間沉浸在夢中,相當於我們每年有一個月的時間在做夢。夢顯然在我們生活中佔據了重要的地位和時間。而且,這個數據也許大大受到低估。睡眠實驗室的研究者在整晚不同時間點喚醒受試者,而不限於快速動眼睡眠期間;結果發現,人在任何睡眠階段都可能會做夢,這意味著我們一生中,也許有近三分之一的時間都在做夢。

現今,睡眠對健康的重要性受到高度關注,但這些研究發現讓我不禁心想:也許我們真正需要的不是睡眠,而是夢。

——本文摘自《我們為何會做夢:睡夢中的大腦如何激發創造力,以及更好地改善清醒時的生活》,2024 年 11 月,悅知文化出版,未經同意請勿轉載。

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