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記憶操作沒那麼簡單:深入解讀日本利根川團隊的老鼠實驗

高 至輝
・2014/03/17 ・3891字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 541 ・八年級
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圖/文:高至輝(東京大學醫學系研究科 博士生)

電影MIB(1997)裡最經典的片段,莫過於帶上墨鏡,拿出裝置一閃!周圍的人都失去剛剛的短暫記憶。然而,記憶真的這麼簡單就可以消除嗎?電影【記憶裂痕】(Paycheck, 2003)裡的場景,或許更具參考性。班·艾佛列克所飾演的逆向工程師完成任務之後,他的夥伴會把存有相關記憶的神經細胞用雷射燒毀,達到消除記憶的目地。不過,記憶真的像硬碟儲存資料那樣,存在一顆顆的神經細胞之中嗎?目前的科學研究雖然可以透過基因操作而增進或損害記憶能力,但是對於記憶的儲存方式,記憶的儲存場所,以及記憶的喚回機制都所知甚少。

2011年的一篇論文,證實了生物對於所處環境的辨識,會反應在海馬迴當中俗稱位置細胞(Place cell)的活動模式上(Jezek et. al., Nature, 2011)。例如,你在浴室的時候,海馬迴CA3裡的位置細胞1,3,5號的細胞組(浴室模式,實際上數量應該遠大於三個)會亮起來;換個場景,當你人在餐廳的時候就換成2,4,6號細胞組(餐廳模式,實際也遠大於三個)會亮起來。像這樣,海馬迴當中的位置細胞藉由打出不同的「燈號組」來展示對於當下環境的「解讀結果」。而這些解讀結果,只會在不同模式間相互切換,舉例來說,不是浴室就是廚房。這結果也暗示著這裡的神經活動模式不僅僅是各感官情報的加總,海馬迴的CA3領域似乎對於個體所處的環境,已經做出了細胞(群)層次的判讀和反應。

(*為了進行以上實驗,實驗人員設立了一套號稱「瞬間移動」的有趣技法。以剛剛的例子來說,就是讓實驗動物以為自己瞬間從浴室傳送到廚房,作者就在這過程來比較兩者「燈號」的差異,至於詳情這裡先不贅述,推薦好奇的科學人可以閱讀原文。)

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然而,證明細胞可以判斷環境,是否就證明了記憶儲存在神經細胞之中?只要控制神經細胞就能操控記憶?一年後,2012年,由日本諾貝爾獎得主利根川主導的團隊發表了一篇名為:<透過光控基因技術活化海馬迴特定基因組能夠活化老鼠的恐懼記憶>(Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall. , Liu et. al., Nature, 2012)的論文。隔年,又發表了另一篇叫做:在海馬迴創造錯誤的記憶(Creating a False Memory in the Hippocampus., Ramirez et. al., 2013, Science)的文章。這兩篇文章有沒有真的讓記憶操作變得可能?先別急,根據鬼島經驗,看新聞不能只看標題,來看看裡面的故事怎麼說。

利用基因工程技術,研究人員在老鼠身上(更準確的說是大腦海馬齒狀迴)置入一個可被藥物控制的基因組X,在實驗人員啟動基因組的期間,受到神經傳導刺激的細胞會製造一種對特定光波敏感的陽離子通道(可以參考:〈替神經裝上光控開關〉),由於陽離子通道可以在細胞內存在一段時間,所以研究人員可以利用光波來再次激發這段期間被標定的神經細胞,成為一種特殊的光控開關。舉例而言,研究人員先將老鼠放在浴室裡,並暫時啟動基因組X,於是特定的神經細胞組會受到浴室環境刺激而活化,只有這些活化的特定神經細胞組會帶有光控開關,其他未活化的神經細胞則無。

之後再將老鼠放到客廳,因為只有浴室細胞組帶有光控開關,研究人員就可以在任何時候利用光波活化「浴室」細胞組。開發這種技術的目的,是為了利用人為的干預,來進一步瞭解特定細胞組的活動,與老鼠大腦判斷自己身處的特定環境之間的關連。例如,如果我們在不是浴室的環境下啟動「浴室」細胞,能夠讓老鼠產生「以為自己在浴室」的反應,我們就可以說這些「浴室」細胞的活動是讓大腦判定當下處在「浴室」的重要因子。

光控開關的標定與人為神經細胞活化概念圖。
光控開關的標定與人為神經細胞活化概念圖。

也就是說,這兩篇論文要探討的核心命題應該是:「老鼠究竟會不會因為人為活化特定神經細胞組而產生環境的誤認?」。 由於老鼠無法像人類一樣直接表達他的意識狀態,因此研究人員便選擇透過「老鼠是否因為感知危險的環境而表現出恐懼」的一種行為實驗,來辨別老鼠的判斷是否有受到影響。

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利根川團隊2012年論文實驗流程示意圖。

實驗一開始,研究人員讓老鼠處在浴室並且啟動基因組,於是在浴室環境下活動的神經細胞就會被標上光控開關。同時在標定的過程中不時給予老鼠電擊,讓老鼠學習把恐懼和浴室這個環境連結在一起。一段時間之後終止標定,把老鼠放到無關恐懼的「餐廳」來進行檢驗。照常理來說,老鼠對於「餐廳」不應該帶有任何恐懼,所以應該會展現出一如往常的行為模式。此時透過光波來活化屬於「浴室」的細胞群,如果老鼠表現出懼怕的行為,那就表示老鼠認為自己是處在危險的「浴室」,而不是處於安全的「餐廳」,進而證明活化神經細胞會影響老鼠對環境的判斷。如果行為沒有改變,就表示這項操作並不會改變老鼠對於環境的認知。

實驗的結果,在接受光線照射之後,老鼠立刻就展現出懼怕的反應,而燈光一熄滅,老鼠的活動又立刻回復正常。這個有趣的現象在經過完整的驗證之後,該團隊就發表了第一篇論文,宣稱他們「稱透過光控基因技術活化海馬迴特定基因組,能夠活化老鼠的恐懼記憶」。

發表當時,許多媒體所下的標題大多與「記憶操作」相關,然而在筆者的認知上,這個實驗所能夠檢驗的範圍是前述的「老鼠究竟會不會因為活化特定神經細胞組而產生環境的誤認?」對於這個命題該團隊的答案,是的,透過光控基因技術活化海馬迴特定基因組,能夠干擾老鼠對於環境的判斷,進而活化老鼠對於特定環境的恐懼記憶。他能告訴我們這些細胞的活動,是讓大腦判定當下所處特定環境的重要因子,然而單單就實驗設計來看,對我們能否操作「記憶」卻不具有充分驗證能力,應該也不是該團隊想藉由這個實驗來回答的問題。

另外這篇論文的實驗設計有個先天的疑慮,在於:神經細胞的標定跟恐懼學習同時進行。要記得光控開關的標定是針對當下所有活動的神經細胞,因此如果電擊可能引起額外的神經細胞活動,這些神經細胞也可能同時受到標定。假如額外的神經細胞才是激發老鼠恐懼的元兇(而不是「浴室」細胞),那本篇的實驗就變成烏龍爆料了。

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為了解決這個問題,該團隊決定把標定和電擊的時間點分開,因此就可避免不相關的神經細胞造成的影響。他們這次換了一個角度來提問:如果先標定「浴室」細胞,隨後把老鼠放到「陽台」,並在同時活化「浴室」細胞的狀態下給予電擊(要記得實際發生電擊的場所是陽台,老鼠並沒有真的在浴室受到過電擊,只是在陽台的期間「浴室」細胞群會被人為啟動。),那麼會發生什麼事?這一次老鼠還會把「浴室細胞」和電擊連結在一起嗎?

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利根川團隊2013年論文實驗流程示意圖。

實驗最後檢視的時候把老鼠放到「餐廳」,然後用光活化「浴室」的細胞來測試。結果在這個條件下,老鼠雖然是身處在沒有危險的「餐廳」,但是搭配上「浴室」細胞的刺激,竟然展現出應該在「陽台」才會有的恐懼。證實在嚴謹的條件之下也得到與上一篇相似的結果,成功的讓老鼠對於實際上沒有危險的環境感到害怕。因此利根川團隊在第二篇論文就宣稱他們能夠在海馬迴創造莫須有的記憶,當時的媒體也都呼應這個標題,又再一次使用「操作記憶」這個關鍵字大肆宣揚了這個實驗成果。但說起本篇主要的貢獻,筆者認為與前篇相似,是從更嚴謹的實驗設計去證實在海馬齒狀迴裡整合性的環境資訊,已經被超譯成神經活動模式。至於對「記憶本身」操作可行性的驗證能力,很可惜的還是少了臨門一腳。

為什麼?因為在實驗中活化的「浴室」細胞組,可能就像在老鼠腦中創造出了一個極為真實的幻覺,讓老鼠以為自己身在「浴室」。所以這個實驗是在人造幻覺的狀況下給予電擊,並發現在人造幻覺出現的時候能夠喚起恐懼,操作的對象可能是幻覺而不是記憶。這樣一來,狀況就比較類似全面啟動(Inception,2010)的故事,研究團隊給予了一個暗示,讓老鼠在這種意義上被「植入」誤導的記憶(False memory),而不是像記憶裂痕那樣直接操作腦中的記憶。然而這兩篇論文還是能夠說明,前述的神經活動模式不僅對於環境具有高度專一性,更可以藉由人工的活化引發老鼠產生預期的反應,已經是該領域上重大的發現。以上只是針對標題或是媒體報導所給予的印象,筆者認為必須澄清的地方。

那麼,到底記憶操作可不可能?我們還沒有一個最終的答案,但是已經漸漸能窺見大腦的運作方式,而且也掌握了能夠操作這些活動的方法,只要繼續探索下去,相信在不久的將來,一定能夠對記憶有更完整的理解。也許,我們會發現記憶終究藏在大腦的某處,記憶裂痕的想像可能會有成真的一天;又或許不存在所謂的記憶細胞(群),那記憶又是什麼?有沒有辦法藉由科技去干涉這個現象?甚至,該不該允許科技干涉記憶?這些可能都是不遠的將來會需要釐清的問題。

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結語

寫了這麼多,是想和大家分享發現這幾篇論文時的喜悅,以及提供一些自己的解讀,並且傳遞在媒體大量聳動標題背後更重大的價值。這段文字源起於PanSci上筆者對於相關文章的回應,但事後反省發現寫的太過難讀,加上編輯邀稿,索性盡量改寫成容易理解的文章來拋磚引玉,讓更多人能夠認識這些有趣的研究結果。當然,對於論文的解讀不會只有一種,筆者的解讀或許也不夠全面,如果對於論文有不同的理解,都誠心歡迎能夠加入一起討論。文章很長,感謝大家的耐心,希望裡面的資訊可以多少滿足大家對於神經科學的好奇心,也期待能夠激起更多的關注。

 

謝謝怡婷和淑真在修稿過程中的協助,沒有你們就沒有這篇文章。

 

參考資料:

  1. Man in Black. 1997 (movie)
  2. Paycheck. 2003 (movie)
  3. Karel Jezek, Espen J. Henriksen, Alessandro Treves, Edvard I. Moser & May-Britt Moser, Theta-paced flickering between place-cell maps in the hippocampus. Nature 478, 246–249 (2011).
  4. Xu Liu, Steve Ramirez, Petti T. Pang, Corey B. Puryear, Arvind Govindarajan, Karl Deisseroth & Susumu Tonegawa. Optogenetic stimulation of a hippocampal engram activates fear memory recall. Nature 484, 381–385 (2012).
  5. Steve Ramirez, Xu Liu, Pei-Ann Lin, Junghyup Suh, Michele Pignatelli, Roger L. Redondo, Tomás J. Ryan, Susumu Tonegawa. Creating a False Memory in the Hippocampus. Science 341, 387-391 (2013).
  6. Scimage, 替神經裝上光控開關(http://pansci.asia/archives/4124)
  7. Inception. 2010 (movie)
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高 至輝
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東京大學醫學系研究科特任研究員。大學主修化學,從碩士轉攻結蛋白質構生物學,其後飛往日本攻讀神經生理學,畢業後留在日本繼續探索有關神經迴路形成的機制。私底下屬有跡可循的雜食性,對於理解各種人文或科學概念的發展進程充滿興趣。

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缺席的普拉修,2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主 (2)
顯微觀點_96
・2025/03/06 ・2645字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

科學遠見的現實基礎

儘管 GFP 基因定序研究在 1992 年受到查菲和錢永健重視,普拉修卻已經決定轉換跑道,停止在伍茲霍爾海洋研究所的苦悶掙扎。他向所內評審委員會提出中止審核,放棄晉升,並將在一年內離職。

延伸閱讀:缺席的普拉修,2008年諾貝爾化學獎第4位得主(1)

當普拉修把查菲和錢永健要求的 GFP 基因樣本送到,他一面感到終結的哀傷,一面認知到「不問報酬地把 GFP 基因交棒給其他人,是當下最合理的選擇。」尤其是像自己這樣使用公共經費進行研究的學者。

除了對社會的責任感,普拉修也意識到學術現實面,研究資源充沛的成功學者,更有機會實現GFP的潛力。在知名大學任教的查菲和錢永健已在各自領域中奠定名聲,更容易申請經費。而且他們可以用既有經費支應 GFP 轉殖實驗的開銷,不需要特意申請高門檻的 GFP 獨立經費,更不會落到像普拉修一樣,經費耗盡還慘澹經營 GFP 基因選殖一整年。

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此外,查菲和錢永健還有研究生和博士後研究員的充沛學術勞動力,而普拉修則總是獨力進行所有研究勞動。孤立、勞累而缺乏成就感,普拉修沒能成功以綠色螢光照亮細胞生理,也無法驅散他自己周遭的職業陰霾。

查菲能在 1992 年重新連繫上普拉修,是因為查菲向研究生尤斯克亨(Ghia Euskirchen)感嘆,普拉修從未回報 GFP 的基因選殖成果,或許是個難以成功的任務。

查菲與完成第一個線蟲螢光基因轉殖的四人團隊 1
查菲回憶錄中列出為 GFP 基因轉殖技術做出巨大貢獻的四人團隊,左上為普拉修,右上為尤斯克亨,下方兩位是接替尤斯克亨進行 GFP 轉殖實驗的技術人員。Courtesy of M. Chalfie

尤斯克亨當下便和查菲一起打開實驗室電腦,用剛安裝的線上論文資料庫 Medline 搜尋相關文獻。他們不可置信地在搜尋結果第一位看見普拉修的 GFP 基因選殖論文,接著飛奔到圖書館尋找實體期刊,在上面找到普拉修的電話,重新建立聯繫。

在查菲的指導下,尤斯克亨只花一個月就完成了大腸桿菌的 GFP 轉殖,成為第一個螢光轉殖生物的拍攝者。接著,查菲團隊順利地讓線蟲的神經細胞表現綠色螢光,證明 GFP 可以在不同生物體內獨立發光,無須其他來自水母的分子。微觀生物學的未來一片光明。

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199210.14 第一張螢光大腸桿菌照片
1992 年 10 月 14 日,尤斯克亨拍下第一張螢光大腸桿菌照片。當時查菲還沒準備好觀察成功轉殖的螢光樣本,尤斯克亨只好到以前待過的實驗室借用螢光顯微鏡。Courtesy of M. Chalfie

錢永健則是透過與同儕的討論,知道生命科學仍然缺乏合適的螢光標記蛋白,進而在 UCSD(加州大學聖地牙哥分校)新安裝的 Medline 資料庫上搜尋「綠色螢光蛋白」,驚訝地發現普拉修的論文摘要。和查菲一樣,錢永健衝進圖書館影印實體論文,並馬上連繫普拉修,比查菲更早確保 GFP 基因序列的樣本。

查菲團隊轉殖 GFP 的同時,錢永健團隊建構出多種 GFP 變異體,人類開始以不同螢光蛋白觀察細胞內部運作。兩個團隊的成果啟動了學術界和生技產業洪流般的關注與需求,錢永健團隊甚至設立了自動化的樣本供應網頁,只要填寫線上申請書,錢永健實驗室就會無償將螢光蛋白基因載體寄送到府。

值得一份晚餐,或是更多

接下來的十多年,GFP 相關蛋白照亮細胞內的奧秘,成為「生化研究的領航星」,並帶領研發者邁向諾貝爾化學獎。而捨棄 GFP 研究的普拉修,則像是失去指引一般,不僅沒能獲獎,更經歷了顛簸困頓的人生苦旅。

離開伍茲霍爾海洋研究所,普拉修在美國農業部轄下獲得分子生物學技師職位。在政府機構經歷職場摩擦、調職搬遷,使緊繃難熬的氣氛瀰漫普拉修全家之後,他前往亨茨維應徵 NASA 承包商的工程師職缺。在火箭城研發太空診斷器是讓普拉修覺得相對有趣的任務,經費短缺卻再次扼殺了他的期待。

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NASA 在 2006 年裁減生命科學研究經費,普拉修因此被裁員,轉而成為接駁車司機。他在駕駛座上友善健談,意外發現自己其實喜歡工作中和陌生人互動的部分。但是 8.5 美元的時薪讓他入不敷出,連他和查菲共享的 GFP 專利金都在幾年內消耗殆盡。

1994 F Science Gfpcover
1994 年 2 月 11 日發行的《科學》採用查菲團隊的 GFP 線蟲做為期刊封面,象徵螢光蛋白普照分子生物學的光明時代開端。此圖片也收錄在查菲的 GFP 回憶錄《點亮生命》(Lightung Up Life)中。相反的是,普拉修的生涯似乎始終不被綠色螢光照耀。Courtesy of M. Chalfie

儘管事業成果的對比相當符合美國媒體對「不公平」題材的嗜好,普拉修不曾在訪談間表現對查菲和錢永健的嫉妒。

2008 年 10 月 8 號早餐之前,普拉修聽到三位科學家因為 GFP 獲得諾貝爾化學獎,他若無其事地換上灰色制服前往公司開車。不過,上班前他打了通電話到當地電台,糾正他們對錢永健姓氏的發音。

查菲和錢永健在諾貝爾獎致詞與回憶錄中,不約而同地感謝普拉修的研究貢獻,錢永健更經常提供普拉修回到學術領域的工作機會。不願接受研究職位作為恩惠、從斯德哥爾摩回到亨茨維開接駁車的普拉修則笑說「如果他們來到亨茨維,該請我吃頓晚餐。」

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「他們總是有提到我的功勞,而且他們有傑出的科學事業,完成重大貢獻之後,繼續發展他們傑出的科學事業。」普拉修一向對媒體表示,查菲和錢永健是更值得諾貝爾獎的人選,而非中輟離開科學領域的自己。

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發源於 GFP,透過多種螢光蛋白混雜表現而成的 brainbow 技術,是研究生物修復傷口、更新組織時的重要工具。作者: Marco de Leon from Taiwan 顯微攝影競賽

但是,普拉修並非真正「離開」科學領域。他結束 GFP 研究後,不論在政府機構或私人企業,依然從事超過十年的科學相關工作,並作出實際貢獻。相對於逃離科學,他其實是被不理解 GFP 潛力的終身職審查委員會給排除,被迫離開「高賭注的尖端學術領域」(high-stakes academic science)。

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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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免疫治療+化療=最佳組合?PD-L1 免疫治療新技術帶來哪些改變?
careonline_96
・2025/03/05 ・2836字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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圖 / 照護線上

「免疫治療讓小細胞肺癌的治療成效顯著提升,對擴散期小細胞肺癌而言,是相當重要的突破!」彰化基督教醫院胸腔內科主任林聖皓醫師表示,「由於擴散期小細胞肺癌的治療選項十分有限,若符合健保給付條件,建議在接受化學治療時合併 PD-L1 免疫療法,以爭取較好的治療成效。」

肺癌主要可區分成小細胞肺癌與非小細胞肺癌兩大類,根據 111 年癌症登記報告,小細胞肺癌(SCLC)的新診斷人數約為 1200 人,佔所有肺癌患者比例約 6.5%。彰化基督教醫院胸腔內科林俊維醫師分析,小細胞肺癌主要發生於 55 至 75 歲之間,以男性吸菸者為主,男女性比例約為 10: 1。林俊維醫師說,小細胞肺癌與吸菸密切相關,常發生在肺部中央區域,可能出現慢性咳嗽、痰中帶血、聲音沙啞、呼吸急促、胸痛、背痛、骨頭疼痛、體重減輕等症狀。

小細胞肺癌進展快速、惡性度高

圖 / 照護線上

小細胞肺癌惡性高 生長迅速對化療易產生抗藥性 免疫治療問世打破困境

小細胞肺癌的惡性度高,癌細胞增殖速度快、進展迅速,容易出現遠端轉移。林俊維醫師說,九成以上的小細胞肺癌患者在確診時已無法開刀,只有少數小細胞肺癌患者能夠接受手術治療。針對小細胞肺癌的全身性治療以化學治療為主,再輔以放射治療。

林俊維醫師說,大約七成的病人在接受化療之後,一開始會有不錯的效果,病情會有明顯改善,不過麻煩的是大多數患者在經過幾個月之後,就會出現病情惡化的情況。當疾病進展時,代表癌細胞已對第一線化療出現抗藥性,雖然可以改用第二線化學治療,但相較於第一線化療,腫瘤對第二線化學治療的反應率會明顯下降,腫瘤受抑制的時間更短,擴散期的患者的存活期常不到一年。

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隨著免疫治療的出現,終於讓小細胞肺癌的治療困境獲得顯著提升。免疫治療是藉由『喚醒』患者自身免疫系統來對抗癌細胞,林聖皓主任解釋,我們的免疫細胞原本具有辨識並清除癌細胞的能力,但是癌細胞可能利用『偽裝』來逃避免疫細胞的攻擊,也就是癌細胞利用表面的 PD-L1 與免疫細胞的 PD-1 結合,一旦兩者結合就會抑制免疫細胞的攻擊功能,使得癌細胞肆無忌憚地的生長及擴散。

PD-L1抑制劑可以破解癌細胞得逃脫機制

圖 / 照護線上

PD-L1 抑制劑破除癌細胞偽裝!健保給付後擴散期第一線優先考慮免疫合併化療

運用在小細胞肺癌的免疫治療–『PD-L1 抑制劑』則能夠阻止癌細胞的 PD-L1 與免疫細胞的 PD-1 結合,進而解除癌細胞對免疫細胞的抑制作用,讓免疫系統恢復正常,可以有效地辨識並毒殺癌細胞。研究證實,PD-L1 抑制劑合併化療作為擴散期小細胞肺癌的第一線治療,可顯著延緩疾病惡化時間,降低 30% 的死亡風險,具有顯著存活效益。林聖皓主任說,後續的研究亦顯示,相較於單用傳統化療,加入 PD-L1 抑制劑後可以讓五年存活率提升,且實驗中沒有觀察到特殊之不良反應發生,進一步確認了免疫治療組合之生存效益,以及用藥之安全性。

PD-L1 抑制劑合併化學治療被視為小細胞肺癌治療近二十年來重要的進展,已被國際治療指引列入擴散期小細胞肺癌的一線治療推薦,健保亦已納入給付。

此外一般來說,PD-L1 抑制劑在治療擴散期小細胞肺癌時,前4個療程合併化療後,接續僅需使用單方 PD-L1 抑制劑作為維持治療。此款 PD-L1 抑制劑目前也已研發出新的皮下注射劑型,可將給藥時間大幅縮短,跟原本靜脈滴注需耗時約 60 分鐘左右相比,改採皮下注射僅需 10 分鐘即可完成,於無須合併化療單方使用時,可帶來大幅縮減留院時間,以及無須裝設人工血管之優點。台灣目前也已引進此款新的皮下注射給藥 PD-L1 抑制劑,不過皮下注射給藥需自費,患者可視需求與醫師詢問。

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免疫PD-L1抑制劑皮下注射劑型

圖 / 照護線上

林聖皓醫師最後也提醒,患者雖普遍對於免疫治療耐受性高,但仍須定期回診,接受影像檢查與血液檢測,以及時評估治療反應,並適時調整治療計畫。若出現皮膚反應、疲倦、腸胃不適、自體免疫相關併發症等症狀,請務必告知醫療團隊,才能適時處理,獲得最佳治療預後。

小細胞肺癌&免疫治療筆記重點整理

此款 PD-L1 抑制劑目前也已研發出新的皮下注射劑型,可將給藥時間大幅縮短,跟原本靜脈滴注需耗時約 60 分鐘左右相比,改採皮下注射僅需 10 分鐘即可完成,可帶來大幅縮減留院時間。

小細胞肺癌主要發生於 55 至 75 歲之間,以男性吸菸者為主,男女性比例約為 10 比 1。小細胞肺癌與吸菸密切相關,常長在肺部中央區域,可能出現慢性咳嗽、痰中帶血、聲音沙啞、呼吸急促、胸痛、背痛、骨頭疼痛、體重減輕等症狀。

針對小細胞肺癌的全身性治療傳統以化學治療為主,可搭配放射治療,約七成的病人在接受化療之後,腫瘤都會有明顯的改善,但大多數患者在經過幾個月之後,就會出現疾病惡化的情況。

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小細胞肺癌的治療成效隨著免疫治療的問世獲得顯著提升。免疫治療是藉『喚醒』患者自身免疫系統來對抗癌細胞,『PD-L1 抑制劑』則能夠阻止癌細胞的 PD-L1 與免疫細胞的 PD-1 結合,進而解除癌細胞對免疫細胞的抑制作用,讓免疫系統恢復正常,可以有效地辨識並毒殺癌細胞。

研究證實,PD-L1 抑制劑合併化療作為擴散期小細胞肺癌的第一線治療,可顯著延緩疾病惡化時間,降低 30% 的死亡風險,具有顯著存活效益。林聖皓主任說,後續的研究亦顯示,相較於單用傳統化療,加入 PD-L1 抑制劑後可以讓五年存活率提升,且實驗中沒有觀察到特殊之不良反應發生。

PD-L1 抑制劑合併化學治療被視為小細胞肺癌治療近二十年來重要的進展,已被國際治療指引列入擴散期小細胞肺癌的一線治療推薦,健保亦已納入給付。

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AI 晶片成長迅速!晶片設計面臨到三大可靠度難關,該如何突破?
宜特科技_96
・2025/03/03 ・4860字 ・閱讀時間約 10 分鐘
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本文轉載自宜特小學堂〈 AI 晶片設計面臨的三大可靠度挑戰 如何突破〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

AI 熱持續延燒,確保晶片的品質與可靠度是研發關鍵。而 AI 晶片會面臨到三大可靠度挑戰:超高功耗、超低電壓與異質整合,工程師該怎麼迎戰?

點擊圖片收看影片版

2024 年 5 月 OpenAI 與 Google 日前於最新發表會中,揭曉了旗艦模型「GPT-4o」與「Project Astra」。當使用者與其對話時,不但可相互傳輸文字、圖像和音訊,甚至另一端的機器人還可以透過手機螢幕,描述出使用者身處的環境,並從使用者的口吻中,判斷出使用者的情緒,聊到開心之處甚至還會大笑和歌唱,溝通上完全就跟真人如出一轍。2024 年 12 月 OpenAI 的影像生成模型Sora 也終於正式上線,用戶只需要輸入文字描述或上傳圖片,就能在短時間內生成高品質的影像,可預期未來 AI 模組持續進化後,能讓影片更加維妙維肖、真假難辨。

「GPT-4o」與「Project Astra」發布會。圖/OpenAIGoogle

AI 人工智慧技術是透過模擬人腦的類神經網路,經過深度學習,取得物件特徵參數,產生模擬人腦的判斷能力。這看似艱深的 AI 技術,早已走進大眾的日常生活,從生成式內容、自動駕駛、智能家居到醫療保健,從金融到製造業甚至國防等…應用廣泛且深具潛力。今年 1 月美國政府更是宣布將加強限制 AI 晶片與技術出口,這項措施顯示 AI 技術舉足輕重的地位,它將成為推動產業發展的重要引擎。

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除了演算法與大數據不斷進化,在硬體方面, AI 晶片則依不同應用領域,不斷往高效能、高頻寬或低耗電等特性演進。但這些特性同時也跟 AI 晶片的效能、壽命息息相關,甚至會造成 AI 晶片可靠度試驗設計的設備與手法面臨到極大挑戰。宜特可靠度驗證實驗室在本文將歸納出 AI 晶片最常見的三大挑戰,並逐一說明解決辦法。

AI 晶片應用種類。圖/宜特科技

AI 晶片最常見的三大挑戰

雲端 AI 晶片的超高功耗挑戰:熱消散與熱平衡能力

資料中心的雲端 AI 晶片肩負著人工智慧深度學習的重任,因此必須具備極高的運算效能,這也意味著它們將耗費大量電能,單顆晶片耗電量甚至超過 200W(瓦),隨之產生的高熱會加速晶片老化。對於一年必須 365 天不間斷運作的雲端運算 AI 晶片,因老化而產生的可靠度問題就必須審慎評估。

可靠度測試的原理是透過抽樣(Sampling)一定數量的 IC 進行實驗,以預估整個母體的生命週期與故障機率。通常會抽樣 77 顆晶片進行測試。而當這 77 顆功耗高達數百瓦的晶片,在單一台可靠度系統設備做 1000 小時的可靠度測試時,會產生上萬瓦的功率熱能,嚴格考驗了可靠度測試系統的「熱消散」「熱平衡」能力。

唯有精準控制熱消散與熱平衡,才能確保每顆晶片在執行不同運算模式時,晶片能維持穩定的PN接面溫度(Junction 溫度(Tj)),如此一來,才能準確預測 IC 的生命週期。因此,如何有效消散並控制高效能雲端 AI 晶片所產能的熱能,是 IC 可靠度實驗設計中面臨的重大挑戰之一。

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終端 AI 晶片的超低電壓挑戰:多組系統電源需求,挑戰可靠度測試極限與硬體解決方案

終端 AI 晶片除了需要高運算效能外,還必須具備「低耗電特性」,以滿足應用環境的需求。例如,行動裝置、物聯網(IoT)裝置、無人機及電動車自駕輔助等,皆仰賴電池供電,因此低功耗設計至關重要。

隨著半導體製程不斷進步,在相同邏輯閘數下的動態電流越來越省電,但尺寸微縮的物理特性效應,卻導致電晶體靜態漏電流隨之增加。根據摩爾定律,每兩年電晶體的面積可縮小一半,但這並不代表無法讓晶片的功耗密度減半,反之,相同面積的晶片將會消耗比以往更大的電流。為了降低功耗,除了採用低工作電壓設計之外,多工作電壓與多閘極電壓的設計也十分常見。然而,對於可靠度測試系統而言,動輒 10 組以上的系統電源需求,考驗著可靠度設備電源數目的極限。

同時,1V 或甚至低於 1V 的主電源(core power)低工作電壓,將使得 IC 電源的餘裕度(power margin)縮小,電路板上的電壓降(power IR drop)或者電源漣波(power ripple),更容易造成 IC 可靠度測試出錯。電壓降不僅發生在主電源,因為主電源的降低,部分邏輯閘訊號源(Pattern)電壓準位,也需要同步降低,這進一步造成硬體設計與測試上的困難,在在考驗著可靠度測試系統能力與硬體設計。

因此規劃一個符合終端 AI 晶片需求的高溫工作壽命(High Temperature Operating Life,簡稱HTOL)可靠度測試環境,從設備選擇、PCB 電路板模擬與製作,各種細節與設計上的考量,皆必須較一般邏輯 IC 更為嚴謹。

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異質整合挑戰:熱消散路徑複雜化

異質整合晶片。圖/宜特科技

異質整合(heterogeneous integration)是 AI 晶片中的一項重要技術。為了加快不同晶片間的傳輸頻寬,不同製程的異質晶片被整合在一個封裝內,常見的有高帶寬記憶體(High Bandwidth Memory,簡稱HBM)、感測器(sensor)、微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems,簡稱MEMS)和天線(antenna)等。經由矽通孔(Through-Silicon Via,簡稱TSV)、重分佈層(Redistribution Layer,簡稱RDL)、凸塊(bump)和中介層(interposer)等製程手法,這些晶片可以並排或堆疊起來。這將大幅度提升異質晶片間的資料傳遞效率,並降低耗電量。

但是,這種複雜的異質封裝堆疊架構,熱產生與熱消散路徑亦隨之複雜,例如,較大功耗晶片不一定位在封裝中心位置,各個晶片厚度亦可能不盡相同,這將使得晶片產生的熱消散與熱感測方式不同於傳統封裝,如何在可靠度測試時正確量測與監控晶片溫度變得更具挑戰。

綜上所述,如何面對熱消散與熱平衡能力、測試系統的電壓極限,以及異質整合的熱消散路徑複雜化,是在進行可靠度設計驗證時,必須克服的關鍵。對此,宜特可靠度驗證實驗室提出如下建議。

如何克服 AI 晶片的可靠度挑戰

利用液態冷卻系統,穩定控制高功耗 AI 晶片產生的熱能

散熱設計功率(Thermal Design Power,簡稱TDP),是 CPU 晶片對主機板「散熱能力」的要求規格。目前桌上型電腦 CPU 的 TDP 規格最高在 150 瓦(W)左右,電競玩家為了維持 CPU 長時間高效高頻工作,往往升級主機板、散熱片、風扇等等配件,使得升級後的系統散熱能力高於 TDP 要求,讓 CPU 能長時間高頻工作,而不會發生過熱降頻,甚至休眠等問題。

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但是伺服器及 HPC 等雲端 AI 晶片,當前 TDP 規格已達 200W 以上超高發熱功耗。而晶片因封裝結構與材料等因素,已難以使用空氣對流當散熱媒介,將晶片 junction 溫度控制在目標值。

尤其是在可靠度測試中,要求的目標溫度高達 125°C,這遠遠高於桌上型電腦的 70°C。通常在 125°C 時,晶片的功耗牆已經處於解鎖狀態,因此稍有不慎就可能導致晶片因高溫而燒毀。因此,當對如此高功耗的 IC 進行高溫可靠度測試時,測試系統必須具備更快速的散熱能力。

液態冷卻系統(Liquid cooling socket)。圖/Enplas

宜特可靠度驗證實驗室建議的解法,是利用更高效的液態冷卻控制調節系統(Liquid cooling system),搭配客製化液態循環 socket(如上圖),此系統利用液態熱交換速率優於氣態的特性,以及即時監控晶片溫度與調節液態流速等方法,穩定控制超高功耗 AI 晶片產生的熱能,成功收集可靠度實驗數據。

熱二極體監控電路,監控 IC 本體溫度

雲端 AI 晶片的超高功耗,在進行可靠度測試時,容易因晶片本體溫度波動太快,導致無法及時消散熱能,造成產品非預期性故障,例如熱失控(Thermal Runaway)。因此,當 IC 內建熱二極體(thermal diode)元件時,透過可靠度系統與可靠度測試板設計,可以客製化熱二極體(thermal diode)監控電路,來監控 IC 內部溫度,將可監測到最即時與準確的接面(junction)溫度(如下圖)。

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IC 熱二極體(thermal diode)監控電路圖例。圖/宜特科技

此作法反應速度快,搭配前面提到的高效液態冷卻控制調節系統,更適合超高功耗 AI 晶片快速溫度變化,藉以提供即時熱消散動作。此外熱二極體(thermal diode)監控電路,可針對 3D 封裝的多晶體(multi-chip)結構下,獨立量測出各個晶片的溫度,以達到更精確的可靠度數據收集。

客製化治具,貼合高低不同的裸晶(die)

AI 異質整合晶片,裏頭的裸晶(die)高低不同,因此,在可靠度驗證測試的治具準備,必須依照不同的晶片,客製化 IC socket(測試座)和散熱系統(heat sink)和熱感測元件(sensor),才能夠緊密貼合高低不同的裸晶(die),藉此增加熱消散能力,溫度量測與監控才能更準確。

客製化IC測試socket。圖/宜特科技

測試電路板超前模擬,免去生產組裝後效能不符

AI 晶片採用先進製程,超低的工作電壓已來到 1V 以下。然而,當高電流經過電路板走線時,容易在電路板上產生由低到高的壓降(DC IR drop),IR drop 將壓低原本已超低的工作電壓,容易使得AI晶片因電源電壓餘裕度(Power voltage margin)不足而失效。

IR drop 的模擬測試。圖/宜特科技

此外,當 IC power 抽載大電流時,也會產生各種頻率的SSN(Simultaneous Switching Noise)。 而電路板的電源層阻抗(Power plane impedance),在各種不同抽載頻率下,因本身佈線(layout)因素可能反映出高低不一的阻抗(impedance)值(如下圖)當阻抗值在某個頻率下超越目標值時,就會造成嚴重雜訊(Power AC noise)與漣波(Power ripple)也會使得 AI 晶片因電源雜訊餘裕度(Power noise margin)不足而失效。

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電源層阻抗的模擬測試。圖/宜特科技

為了解決此問題,我們跳脫傳統電路板設計思維採用新的 BI 模組(Burn in module)設計理念,將電路板從原本的一板測試數顆晶片,微縮至僅測試單顆晶片。搭配目前許多佈線(layout)輔助設計工具,即可在可靠度電路板設計初期經由軟體分析模擬,調整電源走線長短寬窄、灌孔點大小與數目、解偶合(decoupling)電容值與放置位置等,改善工作電壓與訊號源IR drop與電源層阻抗等問題,避免測試電路板於生產組裝完成後,才面臨效能不符問題。此外,電路板設計微縮至單顆晶片,在測試老化實驗時,能協助客戶以個別待測物(Devices Under Test, 簡稱DUT)取得更多的實驗參數,同時能針對各晶片的電晶體靜態漏電流的不同,分別進行測試參數設定,進一步提升 AI 晶片的測試品質。

AI 晶片可靠度解決方案速查表

宜特的可靠度驗證實驗室從多年經驗中,統整出以上問題和解法,並製作一張圖表讓您快速了解 AI  晶片面對不同可靠度挑戰時的解決方案。

三大類 AI 晶片可靠度設計驗證速查表。圖/宜特科技

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宜特科技_96
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