• 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。

本文轉載自顯微觀點

每年，日本光學大廠Olympus都會舉辦「年度影像大賽」（Image of the Year），以光學顯微鏡所拍出的生命科學影像為主題，向全世界徵求優秀的顯微攝影作品。從繽紛的老鼠胚胎到宛如寶石的蝴蝶翅膀，每一張照片都呈現生命前所未見的面貌。

就在2019年，來自台灣的林明德，也因為一張照片而獲得榮譽獎（Honorable Mentions）。在這張照片上，有許多圓球狀的物體正發出綠色光芒，而每顆圓球都帶有一支長長的柄，好似一大串漂浮著的氣球。

這幅散發魔幻風格的景象，難以想像來自於一種昆蟲的卵巢內部。

昆蟲創造的另類世界

這種昆蟲稱為米爾頓釉小蜂，屬於膜翅目釉小蜂科，其幼蟲常會寄生於蓮霧，在台灣主要分布於嘉義、南投、屏東等蓮霧產區。

米爾頓釉小蜂在產卵時，會將產卵管插入蓮霧的子房，讓幼蟲寄生在蓮霧種子的內部，隨著蓮霧果實長大，種子也會因幼蟲發育而嚴重變形，形成所謂的「癭」。種子於是成為釉小蜂的食物，幫助幼蟲羽化成熟。釉小蜂變為成蟲後會離開癭室，並在蓮霧果肉上鑽出一個小隧道而飛離，因此蓮霧若遭到寄生，就會在表面找到許多細小的孔洞。

2006年，中興大學昆蟲學系教授楊曼妙首次在台灣鑑定並記錄米爾頓釉小蜂的存在，從此投入許多相關研究。因緣際會下，在數年前，楊曼妙委託林明德協助研究米爾頓釉小蜂的生殖系統。

楊曼妙之所以會委託林明德其來有自，林明德在慈濟大學分子生物暨人類遺傳學系所建立的實驗室，長期研究昆蟲的生殖系統，透過他熟悉的共軛焦顯微鏡，無論多麼細微的昆蟲結構也能一覽無遺。

於是，林明德解剖楊曼妙送來的樣本，取出釉小蜂的卵巢，經過處理後，拍下這微小樣本的真實樣貌。然而，眼前的畫面卻讓林明德出乎意料──每個圓俏的卵，都連接著一條長長的柄，這些柄又彼此纏繞在一起，形成一大束結構。

他曾用顯微鏡看過隱翅蟲、椿象、螽斯等各種形態的昆蟲卵巢，可是像米爾頓釉小蜂這種模樣的卵巢，林明德也是第一次見到。

米爾頓釉小蜂身形極小，成蟲長度僅有1毫米，而卵本身更是小到近乎透明，為了捕捉這些卵的輪廓，林明德在樣本中加入紅色與綠色的螢光染劑，並透過共軛焦顯微鏡偵測這些螢光訊號，「綠色的是細胞結構，像是卵細胞表面的那一層上皮細胞，而紅紅一點就是細胞核。」林明德說，照片裡的上皮細胞尚在發育，不久後細胞就會死亡，變成卵殼。

林明德能夠觀察到這些細節，都得仰賴共軛焦顯微鏡。這種顯微鏡能夠一層一層掃描樣本，解析樣本在不同深度的螢光訊號，最後將所有獲得的訊號拼接成一幅完整的圖樣，精準呈現生物組織的立體結構。因此，共軛焦顯微鏡也成為林明德實驗室的主力研究工具。

林明德除了研究昆蟲生殖細胞的發育，也以果蠅為材料來研究發育生物學，甚至利用斑馬魚來探討人類罕見疾病的突變等，研究題材十分廣泛。在研究這些題材的途中，拍攝過無數影像，不時也會發現一些讓雙眼為之一亮的事物。這些事物有些成為了科學研究的養分，有些則誤打誤撞成為了他參加顯微攝影比賽的契機。

研究途中誕生的驚喜

有趣的是，林明德第一次投稿的顯微攝影作品，是刊登在一間生技公司的產品目錄上。

當時的他就讀碩士班，正在研究「D型肝炎病毒」，常使用共軛焦顯微鏡來拍攝病毒蛋白在細胞裡的分布位置。「那時候，有一間賣螢光抗體的公司，叫做Molecular Probes（現稱Invitrogen）。」某一次，林明德在這間公司的產品目錄裡，看到一則廣告，「如果你用它的抗體，並把拍出來的照片寄給它，要是它採用的話，就會送你一支抗體。」林明德為了這支免費的抗體，特別拍了一張照片，結果還真的刊登在公司的產品目錄上，每次翻目錄都會看到那張照片。

前陣子林明德獲獎的Olympus年度影像大賽，則是偶然從Email收到比賽訊息，「第一名的獎品是鏡頭一組，我就想，實驗室好像缺了一些好鏡頭。」雖然最終林明德沒能得到首獎，卻也拿到一面獎牌。

林明德笑說，雖然榮譽獎沒有獎金，但這一面壓克力做的透明獎牌，上頭用雷射刻上了那張得獎作品，仍是個值得珍藏的紀念。

當問到最近還有沒有新的顯微攝影作品，他坦承，「我很少為了刻意要拍出一張照片而去把樣本染色，大部分還是因為實驗的需求才去做。」很多令人讚嘆的影像，都是在科學研究的路途上偶然獲得。直到現在，他仍然會對昆蟲的多變性感到驚訝，「不同昆蟲的卵巢顏色都不一樣，像小黑蚊吸完血後，卵巢會變橘色的；有些椿象則是綠色的。」米爾頓釉小蜂還有個親戚叫做「刺桐釉小蜂」，雖然同是小蜂，但卵卻長得像一支啞鈴，也沒有長長的柄。

他突然想起以前大學曾參加攝影社的往事，他說他那時才剛加入不久，就不小心騎腳踏車出了車禍，腳因此縫了十針，只能杵著拐杖在校園裡慢慢走，自然也就沒再進過攝影社。

不過他如今覺得，他在調整共軛焦顯微鏡的參數時，就猶如在操控普通相機一般，而且要拍出好成果，就得掌握樣本的特性，了解自己想要呈現什麼東西。因此，顯微鏡在不同人的操作下，就會得到不同的結果，「就像大家拿同一台相機，可是拍出來就會長得不一樣。」

另外，不只是共軛焦顯微鏡，使用者也可以根據不同需求，選擇偏光顯微鏡、電子顯微鏡、原子力顯微鏡等各種類型的顯微鏡，「根據想呈現的東西，選擇適合的工具。」他如此強調。

此時此刻，林明德還有很多研究題目想做，他指著電腦上米爾頓釉小蜂的照片說，其實連接卵的這些柄具有何種功能，目前還無人知曉。果蠅、小黑蚊等昆蟲的生殖系統，也還有很多尚未解開的謎團。

林明德的下個顯微攝影作品，可能也暫時還不會出現在眾人眼前，但或許在某個研究的路途上，他會再度碰上另一個意外的驚喜。

本文轉載自顯微觀點

還記得顯微觀點曾經介紹過19世紀的科技藝術－矽藻玻片嗎？2024年全球顯微攝影大賽（2024 Global Image of the Year，IOTY）的亞太地區優勝作品，便是矽藻玻片的影像，由來自澳洲的丹尼爾‧韓（Daniel Han）精心排列及拍攝。

猶記前幾年新冠疫情席捲全球，迫使人們足不出戶的那段日子裡，有人學會了做麵包，有人迷上了居家運動，來自澳洲的丹尼爾‧韓則是意外踏上了一條通往矽藻微觀世界的奇幻旅程。

丹尼爾擁有電機工程與數學的學位，第一次接觸顯微鏡是在擔任助理的時候。因其電機工程專業，他為畢業論文組裝一台顯微鏡，以鑽研影像擷取自動化的研究題目。

但直到新冠疫情爆發，他才透過網站買下一台二手的Olympus BX4，將它修好並投入顯微觀察的世界。起初，他用顯微鏡觀察蝴蝶翅膀、沙子或其他常見材料；他也學習如何透過z軸堆疊改善影像，並自己組裝光學系統、改裝步進馬達、加裝相機鏡頭，以實現自動化需求。

他表示，提高影像對比和解析度的方法繁多，背後的理論都讓他著迷。而運用他在電子領域的知識來修復、改裝顯微鏡更他感受到工程實用性的魅力所在。

而早在2021年，丹尼爾‧韓便以一張色彩繽紛的蕨類植物孢子影像，在當年全球顯微攝影大賽（2021 Global Image of the Year，IOTY）顯微攝影比賽中獲得肯定，榮獲亞太區優勝。

這幅影像呈現新鮮採摘的蕨類植物葉子背面孢子囊爆開的瞬間，而蕨類植物的葉子和孢子囊群在紫外線照射下發出自發性的螢光。

這次得獎只是個開端。當時他便透漏正在拍攝更多與矽藻相關的顯微照片，並正在研究螢光及反捲積的影像處理技術，以提高作品品質。而他憑藉矽藻的排列影像，再度贏得2024年獎項。

著迷矽藻排列 自製顯微鏡克服拍攝難題

疫情初期，丹尼爾在網路上購買到一批老舊的矽藻玻片，並深深為此著迷。當他發現可以在顯微鏡下創作色彩繽紛、引人入勝的矽藻影像時，更是深受啟發，開始將多種矽藻排列成不同的形狀，試圖創造出獨一無二的藝術呈現。由於矽藻的細胞壁由二氧化矽構成，且不同種的矽藻形狀和形態各異，他更將矽藻形容為「大自然的玻璃寶石」。

得獎作品的排列由各種來自不同產地的矽藻組成，包括丹麥莫爾斯、法國聖洛朗拉韋爾內德、美國俄勒岡州和緬因州等；且為了達到美觀效果，他還添加了一些海綿骨針。

「玻片由一位封片技術正快速提升的朋友製作，並使用自己動手做的暗視野裝置拍攝」，丹尼爾表示在拍攝時確實遇到了一些挑戰。

首先是景深問題。由於矽藻較厚，為了克服焦平面的限制，他採用了Z軸堆疊（Z-stacking）技術，將多個焦點不同的影像合成一張清晰完整的圖片。

對比度也是一項挑戰。由於矽藻外殼為玻璃質，其折射率與蓋玻片和載玻片相近，導致本身幾乎沒有對比度。為了提升影像對比，丹尼爾使用高折射率（約 1.75 RI）的封片劑（註1），並結合暗視野顯微術與偏振光的技術成像。他表示，圖像中所呈現的色彩便是來自於光的干涉效應。

由於丹尼爾所使用的聚光鏡原本不具備暗視野功能，因此他也自行設計了一個托盤，能夠滑入偏振鏡上方，並在上面安裝遮光片以達成暗視野效果。而他認為，雖與傳統遮蓋光孔的方法不同，但光環的位置更靠近聚光鏡的後焦平面，可以得到更好的效果。

此外，為了確保足夠的視野範圍。他使用10倍物鏡搭配2倍放大轉換器（相當於放大20倍）只能拍到整個排列圖案的一半，便將兩組 Z 軸堆疊影像進行拼接，合成一張完整圖像。

「許多人認為必須使用像微分干涉對比（DIC）這類昂貴的成像技術，才能拍出引人注目的矽藻影像。但我認為其實暗視野與明視野成像也同樣具有價值，也能呈現出非常漂亮的效果」，除了沉迷於矽藻影像外，對丹尼爾而言，顯微成像的技術挑戰更是讓他著迷於拍攝顯微影像的原因之一。

丹尼爾認為市面上現有的顯微鏡裝置大多是為了科學研究或工業用途所設計，而不是為了藝術創作而生。「如果我能夠設計並製作出一個裝置，不輸甚至超越市面上所推出的官方顯微鏡產品，那種成就感是無法言喻的」，他如此說道。

而這份愛好也延伸到丹尼爾的生活。當他在戶外考察時，會隨身攜帶取樣工具，只要看到值得關注的微觀生物，就會順手取樣帶回家觀察。他還經營了一個Instagram帳號，專門展示他所拍攝的矽藻圖像，並撰寫部落格分享顯微鏡自動化的技術筆記與個人見解。

註解：

• 註1：真空 RI = 1、水 RI ≈ 1.33、玻璃 RI ≈ 1.5

參考資料：

• Showcasing Nature’s Glass Gems—The 5th Annual Image of the Year Award Asia-Pacific Winner
• From Tinkerer to Prize Winner: Meet the 2021 Recipient of the IOTY Award for Asia

延伸閱讀：

• 19世紀的科技藝術：矽藻玻片(2)
• 19世紀的科技藝術：矽藻玻片(1)