• 作者／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《第一張複雜腦圖譜：果蠅連接體》

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。

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。

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。

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。

你知道透過顯微鏡觀察紙張，其實很難看到完整的細胞樣貌嗎？因為大多數的紙，常經過搗碎「煮成」紙漿後，才壓製成型。因此將紙張放在顯微鏡下觀看，往往只剩植物纖維的網狀結構。然而，有一種紙在顯微鏡下卻能完整呈現植物細胞的形狀，甚至在太陽光下透光觀察，蜂窩般的六角格紋也能一覽無遺。這就是承載台灣經濟社會變遷史的「蓪草紙」。

蓪草紙為什麼能看到細胞？

和一般造紙方法不同，蓪草紙不是將植物打漿後壓製而成，而是取材自蓪草莖髓。工匠將蓪草莖截斷，取出中央白色的髓心，再將蓪草髓心緊壓在盤面，使用裁刀依髓心邊緣滑行，「削出」一張張輕薄的蓪草紙。蓪草紙的厚度則由銅片與盤面間的高低來調整。

因為蓪草紙是直接由莖髓切片製成，細胞結構未被破壞，保留了幾乎完整的細胞，因此當蓪草紙放在顯微鏡下，便能看到完整地細胞型態。

蓪草－台灣第一個被正式命名發表的植物

十八、十九世紀中外貿易展開，當時清政府唯一開放對外貿易的港口－廣州開設許多專售外銷水彩畫的商鋪。中國畫家受到西方技法影響，透過精細的分工合作，使用西畫材料在綾絹、蓪草紙等各式媒材上，大量製作帶有中國風土風情的畫作，是當時西方人到中國購買的最佳伴手禮。其中，蓪草紙潔白透明，當時在西方被稱為「米紙（Rice Paper）」。

由於十九世紀的歐洲正掀起博物學熱潮，除了透過畫作滿足對東方的想像，畫作所使用的媒材也引發西方人的興趣，因此歐洲植物學家開始疑惑：「米紙到底是從什麼植物而來的？」

正式為蓪草紙材料「蓪草」命名的是英國植物學家威廉．虎克（William Hooker）。

他在1830年發表對米紙的初步觀察，但無法確定來源植物。他曾經這樣形容：「如果將這張紙放在眼睛和光線之間，就會發現一種精美絕倫的細胞組織，這是任何人類藝術都無法創造或模仿的」。

其後，虎克仍陸續針對「米紙」進行研究。他於1841年被任命為英國皇家植物園邱園（Kew Garden）園長後，更是動用了所有官方和非官方的聯繫，透過廣州、廈門的商人與外交人員蒐集標本，不斷比對葉、花與莖髓，最終在1852年發表學名為 Aralia papyrifera，暫歸於五加科的五加屬（Aralia）。

之後德國植物學家卡爾．科赫（Karl Koch）認為蓪草的花瓣、雄蕊和葉片形態與五加科的其他屬及物種相差甚遠，便將其獨立為新屬，改名為 Tetrapanax papyriferus，並沿用至今。

蓪草在台灣的歷史身影

蓪草在東亞其實早已是社會常用、熟悉的植物，並以多種名稱「蓪草」、「通草」、「通脫木」散見於各類典籍。例如中國六朝史料集《建康實錄》便曾記載晉惠帝曾命宮女準備五彩「蓪草」紙花。唐代藥學著作《本草拾遺》中則記錄著「『通脫木』，生山側。葉似萆麻，心中有瓤，輕白可愛，女工取以飾物。」

而虎克則曾經記錄他向長期居住在印度的哈德威克將軍（General Hardwicke）詢問「米紙」事宜。哈德威回復印度當地人將製作「米紙」的植物用於多種用途。他們將最粗的莖切成薄片製作人造花和各種精美裝飾品來裝飾神龕；也利用「米紙」製作帽子。「米紙」的材料對當地漁民來說也非常有用，可以做成適合他們漁網的浮筒。

中國清末因畫在蓪草紙上的外銷畫價格便宜、畫幅小便於攜帶，外銷市場需求日益增加。加上鴉片戰爭爆發後，原本位於廣州的外國行商陸續移到廈門，連帶也帶動台灣的蓪草產業蓬勃發展。

蓪草在台灣的分布雖遍及全島，但受到氣候、土壤等影響，以新竹以北一帶山區生產的品質最佳，因此過去的新竹可說是蓪草產地的重鎮。

日治時期，日本政府進一步將蓪草列為台灣的重要殖產項目之一，設立農業試驗場改良品種、選定區域推廣栽種，原本野生採集的蓪草變成人工栽培，產量和品質都大幅提升。當時改良的美術蓪草紙被用於製作人造花、婚慶裝飾、扇子、畫材、蓪草卡片等，受到歐美各國的喜愛。

戰後國民政府接收台灣，蓪草製品（如蓪草紙、蓪草花及裝飾品）是重要的出口支柱，以外銷美國市場為主。在「客廳即工廠」的五、六〇年代，蓪草加工製品可說是許多家庭生計的依靠。

可惜隨著石化工業興起，價格低廉的塑膠花取代了蓪草花的製作，重創台灣蓪草產業，新竹的老牌業者金泉發蓪草行也在1972年結束長達約130年的蓪草事業。

蓪草的產業消長，反映了出台灣社會經濟的轉型過程。現今市面上雖然幾乎已不見蓪草紙的蹤影，年輕世代甚至根本不知道什麼是蓪草，但仍有許多人、組織致力於蓪草文化的推廣，開設工藝課程和工作坊、蒐集史料，盼讓這段歷史重新被看見。

蓪草紙不僅是能「看見細胞的紙」具有其科學趣味，也是一段跨越東西方的博物學探險旅程，更是台灣社會經濟史的一頁篇章。 下次當你拿著蓪草紙透著陽光觀察那一格格清晰的細胞形狀時，相信看見的不只是生物結構，也會看見台灣走入世界科學舞台的起點，以及一段歷經繁榮沒落、正在重生的文化記憶。

參考資料：

• Hooker, W.J. (1830). Some account of the substance commonly known under the name of rice paper. Botanical Miscellany, 1, 88-91.
• 劉湘瑤、王國雄（2015）。以蓪草發現史看博物學的探究歷程與知識發展特性。科學教育月刊，(382)，19-31。
• 洪麗雯（2007）。藝術與產業的交會：清末臺灣蓪草之運銷。《臺灣學研究》，4，61–76
• 蓪草女兒張秀美 重現臺灣即將消失的手工紙
• 尋找記憶的缺角系列特展（蓪草）
• 說不盡的蓪情草理｜逐漸失傳的造紙工藝。我們的島1140集（2022-01-17）

延伸閱讀：

馬祖藍眼淚：從海岸奇景到顯微鏡下的祕密

本文轉載自顯微觀點

喜極而泣的淚水、悲傷難過滴下淚水，眼淚表現著人當下的情緒；不僅如此，眼淚更是保護眼睛、避免角膜受傷的關鍵要素。

但你可曾想過，微觀的眼淚長成什麼樣子？科學藝術家透過顯微鏡觀察眼淚，發現人的眼淚居然有著和雪花相似的晶體，且每一滴淚的結晶樣貌都獨一無二，可說是獨特的藝術品。

蘿絲‧林‧費雪（Rose-Lynn Fisher）是一位常駐洛杉磯的美國攝影師，曾用掃描式電子顯微鏡（SEM）的視角捕捉蜜蜂的微觀結構，並以《蜜蜂》（Bee）的照片集聞名。

2008 年費雪因痛失至親，經常落淚。因此有天她突發奇想，如果將眼淚放在顯微鏡下拍攝是什麼樣子？她看到眼淚水分蒸發後呈現結晶排列，如同地球的地形一樣，簡直就像「情感領域的鳥瞰圖」。因此她陸續蒐集 100 份眼淚樣本進行顯微攝影，出版了攝影集《眼淚的地形學》（The Topography of Tears）。

無獨有偶，遠在荷蘭海牙的攝影師莫里斯‧麥克斯（Maurice Mikkers） 也正從事眼淚的顯微攝影，在他的顯微視角下，眼淚結晶則像雪花一般。

莫里斯開始拍攝顯微鏡下的眼淚，始因於 2015 年某天，他重重地踢到桌腳不禁落淚的經驗。

當時莫里斯正在研究雙氯芬酸（Diclofenac），一種非類固醇抗發炎藥的結晶。當他拿著結晶幻燈片從廚房走回辦公室時，腳趾大力地撞到桌子，落淚的那一刻，他腦中想著：「我要拿微量吸管捕捉臉頰上滾落的淚水。」

他將蒐集到的眼淚滴在顯微鏡玻片上，並且透過顯微鏡看見淚水呈現美麗的結晶樣貌。

莫里斯原本也不知道必須使用什麼樣的顯微技術才能「看見」眼淚，一開始嘗試了明視野和偏光照明的方式，雖然都有非常漂亮的結果，但他仍覺得「缺少些什麼」。爾後，他使用了暗視野照明方式。

「我驚呆了！眼淚在黑暗的背景上，形狀就像一個小星球，星球地貌呈現出美麗的圖案和形狀，感覺就像是一顆『眼淚行星』」，莫里斯這麼說道。

莫里斯也試著探究為何眼淚在顯微鏡下呈現的結晶樣貌各有不同。不過，雖然推測受淚液的組成影響，其中包含水、脂質、葡萄糖、粘蛋白、乳鐵蛋白、淚蛋白、免疫球蛋白、尿素、鈉、鉀、氯、錳和溶菌酶等；甚至情緒性的眼淚還包含催乳素、促腎上腺皮質激素。

此外，莫里斯透過親友和計畫募集三種類型的淚水。第一種是用於潤滑的「基礎型淚水」（basal），透過看著電扇、通風器等，睜眼 60 秒以上且不眨眼的方式蒐集；第二種是因為吃辣椒、切洋蔥等導致流淚的「反射型淚水」（reflex）；第三種則是因為快樂、悲傷痛苦而留下的「情緒型淚水」（emotional）。

但莫里斯發現，儘管是同一種類型的淚水，在顯微鏡下仍然呈現不同的圖像。「它們都是獨一無二的」，莫里斯說，因不是在完全受控的環境形成，眼淚的溼度和溫度不同，也可能讓有完全相同化學成分的兩滴眼淚在顯微鏡下看起來非常不同。

小知識：明視野 vs 暗視野照明

參考資料：

1. https://medium.com/micrograph-stories/the-journy-of-imaginarium-of-tears-5f70c8fb6f53
2. https://www.smithsonianmag.com/science-nature/the-microscopic-structures-of-dried-human-tears-180947766/
3. https://www.businessinsider.com/what-tears-look-like-under-a-microscope-2015-10