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切開左、右腦間的3億條神經纖維束後,會發生什麼事?——《全腦人生》

天下文化_96
・2022/08/22 ・3699字 ・閱讀時間約 7 分鐘

一刀切開大腦的糾葛!

我挺幸運,1970 年代末期身為大學生的我,親眼目睹神經科學邁向主流,舉世聞名的裂腦手術也備受矚目:史培利(Roger Sperry)博士將數名癲癇病人左右腦之間的連結切斷。

我保守一點說好了,他的研究迷得我神魂顛倒。

不曉得有沒有人也對大腦研究充滿嚮往?圖/elements.envato

史培利施以連合帶切開術(commissurotomy),將胼胝體切斷,連結兩個大腦半球之間的近三億條神經軸突纖維束於是斷開,成功防止不正常放電情形波及另一個半腦。

裂腦手術還揭開另一項優勢:葛詹尼加(Michael Gazzaniga)博士對這類病人執行心理實驗,深究胼胝體切斷後、兩半腦分別運作的模式,研究結果斐然。

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我這初出茅廬的神經科學家,尤其著迷於這些實驗有如《化身博士》(Strange Case of  Dr. Jekyll and Mr. Hyde)的故事:兩個大腦半球在心理學及解剖學上的能力涇渭分明。顯然兩個半腦中間的連結切斷後,裂腦病人的行為就像是兩個獨特的人格,表現通常背道而馳。

左右腦分開後,會發生什麼事?

部分病人身上,「占據」右腦的人格表現出的意向與行為,會與「占據」左腦的人格恰恰相反。舉例來說,一名男士想用左手(右腦)打老婆,右手(左腦)則同時保護老婆。其他時候顯然也出現相同狀況:他一手使勁拉下褲子,另一手卻同時替自己拉上。

另一名病人剛好是個孩子,則是左右腦言詞不一致。問及人生目標時,他右腦說長大想當賽車手,左腦卻想當製圖師。

還有一位病人提到,她每天早上選衣服時,都要爭鬥一番,左右手好比同極相斥的磁鐵,各有既定喜好,早就描繪好自己當天該穿什麼。她去雜貨店買吃的,兩個半腦想要的食物也天差地別。她手術過後一年多,才有辦法駕馭單一意向,有意識的遏止兩個意見相左的人格在內心激烈交戰。

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你能想像你的大腦裡面有兩個不同的想法一直在作對嗎?圖/pixabay

你讀到這些故事,務必了解,這些經過連合帶切開術的病人在解剖學上和你我的唯一差異,在於我們的兩個大腦半球之間有胼胝體連結,互相溝通。

科學家理解到,以神經解剖學而言,大部分的連合纖維本質屬於抑制性,運作時,訊息是從一個腦半球的某組細胞,跑到另一腦半球對應的那組細胞。兩個腦半球的細胞隨時為活躍狀態,但對應的腦半球細胞群卻是分別處在支配與抑制的狀態。

如此一來,一個腦半球即有能力抑制另一個腦半球對應的細胞群,支配特定細胞群的功能。例如,我們專心聽某人所說的詞彙及意義時(左腦),比較不會專注於對方的語調變化或情緒內容(右腦)—— 但這反而是對方真正打算溝通的事情,反之亦然。譬如,有沒有人曾對你大吼,說你根本沒聽到重點,而你錯愕不已?

既然上天給你一對腦,為何只用一邊呢?

1970 年代和 1980 年代,社會上對裂腦研究的反應有點過於熱烈,著重開發「右腦」或「左腦」的社群課程如雨後春筍冒出,許多學校甚至積極投入,設計出可以刺激一個半腦或兩個半腦的課程。

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左腦人及右腦人的刻板印象進入主流:左腦人表現較有條理、準時、注重細節,右腦人點子多、創新、運動發達。

可惜,在大家痴迷左右腦之際,許多家長想讓孩子贏在起跑點,策略卻是讓孩子接觸適合其天賦的課程。沒錯,這合情合理,畢竟家長希望孩子因拿手之事獲得回報。

不過,若家長希望孩子全腦、全方位均衡發展,較完善的方式應該是鼓勵孩子參與自己並不拿手的活動。例如,若孩子具左腦優勢,擅長科學及數學,可以鼓勵他們參加戶外活動,到林間探索與蒐集資料,也可以引導擅長運動及藝術的孩子發揮創意,設計超酷的科展作品,參加衡量某類表現的科學展覽會。

由於過去四十年來,家長只著重激發單個半腦的優勢,造成孩子的能力朝向兩極端發展。目前有些著作及教學技巧專門開發不慣用的腦半球,例如至今仍廣為使用的經典之作《像藝術家一樣思考》(Drawing on the Right Side of the Brain)。

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不慣用的腦半球也應該要適度的刺激,才能更均衡的發展。圖/GIPHY

另外,你不必費勁就能發現,行銷人員如何善用策略,瞄準我們對右腦或左腦的偏好。就連電腦作業系統也符合這種分野:一般認為 蘋果產品直指右腦創造力,任何微軟的可笑產品則直指左腦分析力。還記得黑莓機嗎?這機子則是用來讓我的右腦哀哀叫。

左、右腦獨立運作?這是迷思!

依此種刻板印象推廣的科普知識五花八門,旨在開發左右半腦的潛能。除此之外,也有成山成海的實證科學,清楚描繪左右半腦在解剖學及功能上的差異。

如想知道半世紀以來,科學家在巨觀與微觀方面發現了哪些差異,英國精神科醫師麥基爾克里斯特(Iain McGilchrist)博士的《主人與使者》描寫得深入淺出,亦蒐羅最新的研究內容。

如想了解哈佛精神科醫師如何與左右腦人格合作,協助精神病人復原,不妨閱讀薛佛(Fredric Schiffer)博士的《雙腦革命》,著實教人大長見識;該書甚至敘述了兩個人格有多麼相異:其中一個人格體驗到的疼痛感,另一個人格真的會感覺不到,或是也不會表現出來。

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若想知道處理心理健康問題的替代工具,史華茲(Richard Schwartz)博士的內在家族系統值得一試;該模型有助辨識一個人的部分性格,以便互相合作,找出健康的解決之道。上述書籍與工具皆發人深省,可幫助大家知曉大腦的奧祕。

本來左右腦就會持續造就任一經驗時刻的整體經驗,所以我的意思並不是左腦或右腦獨立運作。

現代科技顯示,任何時刻兩個半腦顯然皆會造就神經系統的輸入、經驗與輸出。然而如我先前所述,腦細胞的標準做法,就是支配並抑制對應部位的腦細胞,因此,除非死亡,腦部在任何情況下,都不是全開機或全關機的狀態。

人類的性格,究竟是怎麼被塑造出來的?

想了解大腦運作,自然會提出這問題:「一群腦細胞到底怎麼可能合作打造一種人格?」我可不是第一個提出這問題的人,我也不是第一個經歷腦部創傷、性格大變、創傷細胞復原然後重拾舊迴路、舊技能組合、舊人格特質的人。

不過,我大概是第一位歷經腦部創傷及復原、踏上求解之路的神經解剖學家,率先深入探查自己大腦神經與心理方面的運作模式,並獲得四大人格的獨到見解。

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Pink And Blue Animation GIF by palerlotus
明明都是神經細胞,為甚麼卻有各種不同的人格?圖/GIPHY

腦細胞是美妙的小生物,形態大小各異,其設計說明了執行特定功能的能力。例如,位在兩個半腦主要聽覺皮質區的神經元具有獨特形狀,能處理聲音資訊;其他連結不同腦部區域的神經元,形狀也適合其功能,運動系統的神經元更不例外。

值得注意的是,從神經解剖學的角度來看,每個人的腦部神經元本身以及互相連結的方式,基本上並無二致。

從結構上來看,每個人的大腦皮質最外層的隆起與溝渠根本一模一樣,而且相像到——如果你腦部特定區域受損,我腦部該區域也受損,那我倆喪失的功能也一模模一樣樣。以運動皮質為例,如果你和我某個半腦的特定細胞群都受損,我們的身體超有可能在同樣的部位癱瘓。

左腦、右腦到底有甚麼差異?

左右半腦固有功能的差異在於,神經元處理資訊時,各有獨特方式。

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先說左腦,左腦神經元其實是以線性方式運作:會先接收一個想法,拿這個想法和下一個想法互相比較,接著再拿這些想法的副產物和再下一個想法互相比較。

由此可知,左腦能以次序方式思考。例如,我們知道必須先發動引擎,才能打檔。左腦可是令人嘆為觀止的序列處理器,不僅創造抽象的線性(例如1 + 1 = 2),還為我們展現出時間性,將時間以線性感,分割成過去、現在與未來。

右腦神經元則完全不是用來建立線性次序,反而有如平行處理器,可引進多條資料流,同時顯示單一的複雜經驗時刻。記憶是由兩個腦半球共同創造,右腦則替記憶的創造成果增添深度,豐厚了此時此地的面貌。

儘管許多腦細胞負責執行顯而易見的工作,例如理解語言或呈現視覺,其他神經元卻負責創造想法或情緒。

「模組」這詞就是用來說明哪組神經元和其他神經元互相連結,並以集合體的形式共同運作。我們大腦中的四大人格,即是以特定且獨特的神經元模組運作。

——本文摘自《全腦人生:讓大腦的四大人格合作無間,當個最棒的自己徒》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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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

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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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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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

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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。