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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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Heidi_96
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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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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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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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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。