利用雷射冷卻技術來冷卻硬幣般大小的物體

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。

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。

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）。

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。

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。

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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。

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。

本文由 肺纖維化(菜瓜布肺)社團衛教 合作，泛科學撰文

在現代醫學的警示清單裡，乳癌、大腸癌這些疾病大家都不陌生；但有一個「隱蔽且致命」的威脅卻常被忽視，那就是「肺纖維化」。其中最常見的類型「特發性肺纖維化」（IPF），其預後往往不太樂觀，確診後的五年存活率甚至比許多常見的癌症還低。

首先，我們得先破解一個迷思：肺纖維化並不是單一疾病，而是許多種間質性肺病的共同表現。當我們聽到「肺纖維化」，腦中常浮現「菜瓜布肺」的形象，患者的肺部外觀充滿一個個空洞與疤痕，像極了乾燥的絲瓜。這精準描繪了肺部組織逐漸硬化、失去彈性的過程。

更重要的是，IPF 這類肺纖維化的威脅在於「不可逆」的特性，一旦形成就很難逆轉。這跟部分 COVID-19 康復者身上、仍有機會復原的肺纖維化，是兩種完全不同的概念。

肺部為何會變成「菜瓜布」？

為什麼好端端的肺會變成菜瓜布？這其實是一場身體修復機制失控的結果。

「纖維化」的組織，就是肺部間質組織（interstitium）的疤痕化。間質是圍繞在肺泡周圍，包含血管與支持肺部結構的結締組織。在正常情況下，肺部損傷後會啟動修復機制，並再生健康組織。但在肺纖維化的患者體內，這套修復機制卻「當機」了。

身體會不斷地發出訊號，導致負責修復工作的「纖維母細胞」（fibroblasts）被過度活化，進而失控地沉積膠原蛋白疤痕組織，最終在肺部形成永久性的纖維化。

科學家發現，這個過程之所以棘手，在於它是一個「惡性循環」，肺部同時存在著「發炎反應」與「纖維化」這兩條路徑 ，它們相互加乘，演變成難以阻斷的強大破壞力。

雖然特發性肺纖維化 (IPF) 的具體成因不明 ，但已知某些特定族群的風險更高。例如抽菸，特定年齡與性別(50歲以上男性)、長期暴露於粉塵環境的工作者(農業、畜牧業、採礦業…)、胃食道逆流者。此外，患有自體免疫疾病（如類風濕性關節炎、乾燥症、硬皮症、皮肌炎/多發性肌炎，）的患者，他們併發肺纖維化的機率遠高於一般人，必須特別警覺。

打斷惡性循環的挑戰，為何只對抗「纖維化」還不夠？

面對這個不可逆的疾病，醫學界長年束手無策，直到 2014 年才迎來一道曙光。美國 FDA 批准了兩種機制不同的新藥：Nintedanib 和 Pirfenidone。這兩種藥物的出現是治療史上的分水嶺，首度被證實能夠「延緩」IPF 患者肺功能的惡化速度。

然而，這場戰役尚未結束。現有的治療雖然帶來了希望，卻也凸顯了「未被滿足的醫療需求」。從機制上來看，這些藥物主要抑制的是「纖維化路徑」。

這讓科學界開始思考這個未被滿足的棘手問題：既然疾病的本質是「發炎」與「纖維化」的雙重打擊，那麼，我們是否能找到「同時抑制」這兩條路徑的全新策略，從而更有效地打斷這個惡性循環？

找到同時調控「發炎」與「纖維化」的新靶點

為了解決難題，科學家將目光鎖定在一個細胞內的酵素：磷酸二酯酶 4B（PDE4B）。

為什麼鎖定它？讓我們看看它的「雙重作用」機制：

1. 關鍵位置： PDE4B 同時存在於免疫細胞（與發炎有關）與纖維母細胞（與纖維化有關）當中。
2. 作用機制： PDE4B 的主要工作是降解細胞內一種叫 cAMP（環磷酸腺苷） 的訊號分子。cAMP 可以被視為細胞內的「穩定信號」。
3. 雙重抑制： 當我們使用藥物抑制了 PDE4B 的活性，細胞內的 cAMP 就不會被分解，濃度會隨之升高。高濃度的 cAMP 能穩定免疫細胞和纖維母細胞，同時產生抗發炎與抗纖維化的雙重效應。

簡單來說，鎖定並抑制 PDE4B，就像是同時抑制了免疫風暴與纖維化的工程，有望從雙從抑制打擊這個惡性循環。

全球臨床試驗帶來的新希望

近十年來，全球在肺纖維化領域投入了大量的臨床試驗，我們相信，在科學家逐步破解肺纖維化惡性循環的複雜難題後，期盼未來能為無數患者爭取到更安全、健康的生活與未來。

最後，我們必須再次提醒，特發性肺纖維化（IPF）與漸進性肺纖維化（PPF）是極具破壞性、且不可逆的疾病。面對這個比癌症更致命的對手，雖然現有的治療手段能延緩惡化，但無法逆轉已經形成的肺部疤痕組織，因此「早期診斷、早期治療」仍是對抗肺纖維化最重要的黃金時刻。

在極低的溫度下，物質會開始出現奇特而神祕的性質。

低溫學是研究極低溫度的一門科學。這個領域的研究目標是了解如何產生與維持絕對溫度123度或是攝氏-150度以下的低溫，同時研究在這種低溫環境下，各種物理、化學及生物作用會產生什麼變化。

分子的隨機運動會產生熱，而溫度只要下降，分子運動就會開始變慢。但根據熱力學定律，這種情況並不會永遠持續下去，一旦到達某個極限，分子就會完全停止熱運動；這個極限被稱為絕對零度或0K（相當於攝氏-273.15度），也就是可能達到的最冷溫度。

當物質的溫度接近絕對零度時，其性質會大幅改變，例如氮氣與氧氣等永久氣體達到絕對溫度數十度時會變成液體，可作為太空船燃料，或用於快速冷卻食物以供保存，甚至能應用在外科手術，移除受損細胞；鈮合金（niobium alloy）降至接近絕對零度時，會完全失去電阻而成為超導體，能用來製造強大的電磁鐵，將次原子粒子（subatomic particle）加速到接近光速。而當溫度降至絕對溫度2.19度，甚至是更低時，液態氦會失去黏度而變成超流體（superfluid），超流體的特性非常神奇，能夠沿著玻璃燒杯往上流。

讓我們一同探索低溫學的奧祕，深入瞭解這個正將科學極限推向另一個境界的學問。

用低溫電子學為歐洲核子研究組織保冷

通過導體的電流會受阻於物質的電阻，但是當某些金屬的溫度下降時，其電阻也會跟著降低。在某些情況下，導體處於超低溫時，其電阻會突然降至零，因而變成超導體。

歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）之中導引粒子束運行的主要電磁鐵被液態氦冷卻至絕對溫度1.9度（相當於攝氏-271.3度），這比在外太空還冷，因此電阻會完全消失，以防止能量轉為熱能逸失。

冰凍死人

低溫學vs人體冷凍技術

談到低溫學（cryogenics），許多人腦中浮現的第一個畫面是屍體被保存在冷凍櫃，期待有朝一日能復活。科幻片讓這種想法大為風行，而且美國已有專門機構負責進行這種服務，但冷凍屍體的技術目前仍非常缺乏科學根據。

科學家很謹慎地將低溫學與冷凍屍體的過程──也就是所謂的人體冷凍技術（cryonics）──加以區隔；在準備接受人體冷凍技術的病人死亡後，他的血液將被一些化學混合液取代，目的是在冷凍過程中保護脆弱的細胞。

完成以上的程序後，會用液態氮冷凍人體，並將人體放入儲存槽內。負責進行人體冷凍的公司不須經過科學或醫學認證，冷凍過程中的某些工作甚至可能由志工進行。

冰凍人體確實是個令人振奮的構想，但目前還沒有證據顯示這種人體冷凍技術能夠奏效。

提供火箭燃料

低溫學的主要應用範圍之一是太空旅行；第一部使用低溫燃料推動的火箭是美國航太總署（NASA）的半人馬座火箭（Centaur）的末段引擎，於1963年成功發射。

最常用的成對低溫燃料是液態氫（LH2），而液態氧（LO2 或LOX）則用來助燃。氫氣是很輕的氣體，在氧氣中能完全燃燒，將這兩種氣體冷卻至極低溫後，可將更多燃料擠入燃料槽。

燃料槽在太空飛行期間會曝露在不同的熱源之下，像是引擎廢氣、太空船摩擦大氣層產生的熱，還有來自太陽的熱。為了讓燃料保持液態，燃料槽不但要有良好的絕熱能力，同時也要能忍受內部液體燃料的極端低溫。

一般而言，這些燃料都裝載於重金屬槽，不過NASA與波音公司都致力於發展革命性的綜合材質燃料槽，將比標準低溫槽輕30%。未來這些燃料槽將能攜帶更多燃料，使太空船能飛到太空中更遠的地方。

讓金屬更堅韌

當金屬從液態冷卻成為固態時，會形成晶體結構，個別原子也會排列成有規律的晶格，但這種方式通常會產生缺陷。傳統上會用熱處理來補救，也就是讓金屬再變回液體，以減低壓力、填補空隙，但這種工序並不夠完全。只要運用低溫學，熱處理鋼無法補救的缺陷與應力都能被去除。

熱處理之後，金屬被緩慢冷卻至接近絕對零度；這個工序允許結構內部的特定成分移動，以填補微觀缺陷，使結構更為均勻。這種方式能減低應力，產生更緊密、更具韌性的金屬。經過冷處理的金屬能用來製造高爾夫球桿與棒球棒；金屬的結構越緊密，振動越小，也就會傳遞越多能量給球。

治療運動傷害

並非所有低溫冷凍技術都已發展成熟，如同體育界最近才興起所謂的「全身性低溫療法」（whole-body cryotherapy）。過去是用冰敷或浸泡冷水來治療運動傷害，而這種新療法則是透過讓患者在低溫室裡冷卻全身，以減輕運動傷害、肌肉與關節疼痛或是關節炎等症狀；這種療法奠基於日本在1970年代的一項研究。和水相較之下，空氣的導熱能力較差，因此與傳統泡冷水的方法比起來，待在低溫室時，身體的核心溫度受到影響的機率較低。

患者在進入以氮氣冷卻的房間後，會曝露在低於攝氏-100度的環境下約三分鐘。患者的四肢有衣服、手套、襪子、面罩和內衣覆蓋，但其他部位的皮膚就會曝露在極低溫之下。此時身體的自然反應是切斷對皮膚的血液供應，並將血液導向核心部位，讓熱量的流失降至最低，並維持適當的體溫。這種療法的副作用是讓大腦釋出稱為腦內啡的天然止痛劑，使人忘卻疼痛、感到愉快。

治療關節炎

冷療（Cryotherapy）的研究是為了治療關節炎之類的病症。曝露在低溫下可減緩神經傳導，透過降低肌梭的反應，將有助於減低肌肉痙攣；這種現象在生活中能輕易驗證，只要試想當你從天寒地凍的戶外進入室內後，嘗試用凍僵的手指解開你的上衣鈕扣。

寒冷的溫度也被認為能降低發炎關節裡具破壞性的酵素的活性，這種酵素叫做膠原酶，膠原酶會破壞骨頭上具保護功能的膠原蛋白軟骨。

針對許多關節功能失調病患的研究顯示，冷療能暫時降低患者的疼痛感，並維持大約90分鐘，讓病患有空檔在這段時間內進行物理療法或是其他介入療法，否則患者在治療過程中可能會感到非常不舒服。由此可知，即使冷療不具有長期療效，但是在與其他療法結合之後，仍然有顯著的醫療效益。

冷療手術

極低溫帶來的破壞作用已被應用於醫學治療；液態氮的極低溫度現今普遍用在消除疣或癌細胞等異常細胞。

這種療法的進行方式會根據不同狀況而有些微差異，可能會利用棉花棒、噴槍，或是名為冷凍探頭（cryoprobe）的中空管將液態氮直接噴灑於身體受感染的部位。

冷療手術會迅速將受傷的組織冷凍，並消滅掉異常細胞。這種療法比藥物治療更為精確，可能傷及的周圍組織和疼痛感也會比外科手術更小。

超低溫保存法

在極低溫之下，生物程序會近乎停止；缺乏熱能導致酵素活性趨緩，活細胞幾乎能被無限期保存。

不過，活細胞的超低溫保存準備工作絕非易事。細胞的微觀結構相當脆弱，因此可能在低溫時被內部膨脹的水分脹破、變成碎片；當水形成冰後，溶解出的離子、鹽分和其他分子也會濃縮，擾亂細胞內原本的化學平衡。

低溫保護劑（cryoprotectant）這種化學物會被用來保護細胞，以避免上述的情況發生；其中的甘油、二甲基亞碸（dimethyl sulfoxide，簡稱DMSO）或糖會被用來取代水分，阻止冰晶形成，或改變其形狀與大小。接著會用液態氮迅速冷卻細胞，使其越過所謂的玻璃轉化溫度（glass transition temperature），之後水分就會凍結成一種像玻璃而不像冰的固體，然後這些細胞就能安全地貯存在低溫的液態氮蒸汽裡。

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第15期（2015年12月號）

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