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久違的台灣醫療推理劇——《麻醉風暴》

黃俊儒
・2015/04/26 ・1490字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

麻醉特圖

在台灣影視圈中,已經沈寂很久的醫療推理劇終於又出現了。本週公共電視台首先開播《麻醉風暴》這一齣迷你戲劇(共六集),內容聚焦在麻醉科醫師的生活,以及所伴隨的醫療爭議故事。

戲劇好不好看、能不能引起風潮,還值得觀察,但光是這種題材的再次出現就足以讓人欣慰。印象中,台灣的電視台從《大醫院小醫師》及《白色巨塔》之後,就再也沒有這種融合醫療知識及社會議題的完整戲劇作品。期間當然還會有零星的一些主題與醫療相關,只是常常虎頭蛇尾,演到後來往往醫療內涵只在其中聊備一格。

例如描寫醫美診所故事的《愛情急整室》,後來沒有急整室,只剩下愛情;描寫女醫師遭受人生挫折之心路歷程的《白袍下高跟鞋》,後來沒有白袍,只剩下高跟鞋。中間當然也有類似像《B棟8樓》這種為了還原SARS期間和平醫院狀況的政策導向性戲劇,在科技部的經費補助下聊表心意地拍了兩集,在超冷的時段播出後幾乎沒有引起任何迴響。

這種具有知識含量的戲劇作品,近幾年在台灣的影視環境中銷聲匿跡,成本高、背後考證功夫難、專業人才欠缺,固然是大家卻步的原因。就像《白色巨塔》的作者侯文詠就坦言,很擔心《麻醉風暴》這齣戲會拍得慘不忍睹,因為醫療劇專業、難拍。幸好結果他十分驚豔,認為除了手術與麻醉的細節不失真,劇情更貼近醫療體系崩壞的現況

以《麻醉風暴》為例,劇組就得請到真實的麻醉科醫師擔任醫療顧問,安排演員實習、蒐集手術影片,並確認每一項手術的器材和執行流程。當這些元素都到位後,更需要在戲劇與寫實之間進行取捨,以獲得最大的平衡,所花費的功夫可見一斑。

不過,所有的優質戲劇原本就都需要經歷這些費工的精鍊過程,這些理由並不特別。造成這些年來此類型戲劇的短缺,主要還是我們的影視工作者多認為民眾不會買單這類高知識含量的戲劇(把大家想得很笨就是了),或者是不願意承認自己根本沒有能力為專業知識說一個吸引人的故事

所以,我們的電視頻道中就充斥了各種粗製濫造的廉價鄉土劇,或是無病呻吟的假掰偶像劇。在這些戲劇中,往往可能跟知識沾上邊的多是「驗DNA」,認小孩要驗DNA,抓小三要驗DNA,告老王要驗DNA,搞到後來連我們處理漂流木都想驗DNA

相同的醫療類戲劇中,日韓英美都有很多傑出的作品,產量更是驚人。台灣觀眾耳熟能詳的《醫龍》、《白色榮光》、《怪醫豪斯》、《實習醫生》都是典型的代表,即便是韓國這幾年也挑戰許多類似的題材,例如以精神科醫師及病患為題材的《沒關係,是愛情啊》,或是描寫急診室實習醫生的《急診男女》。這些作品不僅收視亮眼,並且引領社會對這些議題的關注,為新世代的醫療劇注入新活力。

醫療的主題是所有科學硬知識中,與民眾最相關,最有機會融入生活的一種題材。透過醫學的生活化理解,可以讓一般民眾意識到許多日常文化中的醫療問題。如果台灣的戲劇能在雅俗共賞的基調上,好好為知識講個動人的故事,例如在男女主角纏綿悱惻、壞人爾虞我詐、情節懸疑糾葛之際,還可以讓人一邊驚覺橄欖油摻棉籽油、胡椒鹽加爽身粉、胃散混工業碳酸鎂……,拜託,你還怕戲不賣嗎?

註:《麻醉風暴》2015年4月1日於「公視HD台」上檔,2015年4月25日於「公視」上檔

本文改寫自發表於2015年4月2日之 UDN鳴人堂專欄

文章難易度
黃俊儒
18 篇文章 ・ 1 位粉絲
中正大學通識教育中心教授。 長期關心科學傳播的工作,主張推廣科學不能只是上對下的關係,不能只是榮耀的崇拜,更不能只是逸樂化的軟柿子。 勉勵自己仔細地在各種不同的層面上,找出科學與一般大眾、市井小民、販夫走卒間,在生命上的共鳴與交會。 著有《別輕易相信!你必須知道的科學偽新聞》一書。

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【2022 年搞笑諾貝爾藝術史獎】浣腸也搞儀式感!藥理學家的馬雅考古
寒波_96
・2022/09/21 ・5148字 ・閱讀時間約 10 分鐘

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2022 年也不例外。今年「第 32 次第一屆搞笑諾貝爾獎」一共頒發 10 個獎項,藝術史獎 2 位學者的得獎理由是:

「以跨領域手法研究古代馬雅陶器畫面的儀式性浣腸(A Multidisciplinary Approach to Ritual Enema Scenes on Ancient Maya Pottery)」。

浣腸場景的馬雅陶器,盡在不言中。圖/取自 mayavase

2022 年,肛門或成最大贏家!

浣腸(enema)別名灌腸,就是直接向肛門注入液體,刺激排泄。灌腸也指稱香腸的作法,浣腸讀起來比較有儀式感,本文之後就採用浣腸稱呼。

今年的生物學獎也和肛門有關,肛門或成最大贏家!有種蠍子斷尾求生後,連肛門都會一起脫落,而且無法再生,再也無法排泄,最終便秘致死。好在即使屁股沒惹一半,還可以再活幾個月,完成傳宗接代的蠍生大事。

同時看到馬雅人的浣腸研究,想說能不能幫斷尾的蠍子也浣腸一下,解決便秘問題……馬上想到它們已經沒有屁股,不再有機會享受浣腸的樂趣,嗚嗚。 😭

有趣的是(疑似贅句,本文應該沒有無趣的事),2022 年受到表揚的藝術史獎來自 1986 年發表的論文,本身就很有考古精神,36 年過去,如今得獎者都老惹。

大部分搞笑諾貝爾獎頒給近幾年的研究。但是一查之下大吃一驚,穿越歲月的表揚很少,卻不算罕見:

2022 年的藝術史獎頒給 1986 年的研究,時隔 36 年。

2021 年的昆蟲學獎頒給 1971 年的研究,時隔 50 年。

2013 年的安全工程獎頒給 1972 年的研究,時隔 41 年。

2013 年的公共衛生獎頒給 1983 年的研究,時隔 30 年。

2011 年的公共安全獎頒給 1967 年的研究,時隔 44 年。

2011 年的生物學獎頒給 1983 年的研究,時隔 28 年。

2010 年的公共衛生獎頒給 1967 年的研究,時隔 43 年。

2008 年的化學獎頒給 1985 年的研究,時隔 23 年。
……

中間是考古學家地獄慕斯(Nicholas Hellmuth),右下是藥理學家德史密特(Peter A.G.M. de Smet)。圖/取自 頒獎影片

研究民族藥物的藥理學家:一個博士不夠,就再讀一個!

今年等待 36 年的 2 位得獎者,是什麼來頭呢?馬雅是個位於中美洲,有數千年歷史的文化,如今依然有數百萬馬雅人樸實地生活著,儘管不如古代輝煌。研究馬雅考古的人,應該是考古學家吧!其中一位地獄慕斯(Nicholas Hellmuth)確實符合想像,他正是探索古馬雅的考古學家。

然而,另一位德史密特(Peter A.G.M. de Smet)不是考古學家,而是藥理學家。這項探討馬雅浣腸的研究,源自他博士論文中的一部分,而且這是他的第二個博士學位。

德史密特是荷蘭人,就讀烏特勒支大學(Utrecht University),公元 1979 年取得「藥學博士(Doctor of Pharmacy)」,具有一流的藥理學專業。後來他對民族藥物,也就是各地的草藥、菸草等傳統藥物產生興趣,於是 1981 年起又深造數年,1985 年再取得一個 PhD 博士。

他的博士題目叫作《美洲的儀式性浣腸與鼻菸(Ritual enemas and snuffs in the Americas)》,這段期間他幹勁十足地完成多達 11 篇論文!這麼多素材都被整合進博士論文,後來有出書。

德史密特出版過好幾本書,有亞馬遜作者頁面。圖/取自 亞馬遜網頁

這位藥學博士在第二個博士論文中(第 13 頁),一整個理組嗆文組的 fu:

「儀式性用藥的資料中,不當使用藥理學數據,是驚人的常見錯誤。實際上這不太意外,因為這個領域中的作者,往往缺乏藥理學背景。」

初出茅廬的德史密特,整理當時藥理學、民族學、考古學的多方資訊,加上自己的實驗,探討美洲原住民在浣腸、吸菸兩項行為的材料、手法、效果,使他成為以現代科學探討民族藥理學(ethnopharmacology)的先驅。

40 年來他身兼藥理學家、民族藥物學家的雙重身份,兩個領域都頗有建樹,總共發表上百篇論文,有些引用數相當可觀。2011 年還出過一本書,由 20 世紀初的明信片討論各地的民族藥物。

出現浣腸場面的馬雅陶器畫面,中間有位睡蓮美洲豹。圖/取自 Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes

藥理學×考古學:馬雅人為什麼浣腸?

馬雅人為什麼浣腸?馬雅世界後來成為歐洲人殖民地,早在殖民時期便有紀錄,馬雅人以浣腸行醫療用途。這也是當今受過醫學訓練的醫師、護理師之基本專業。

然而,1977 年重現於世的古代陶器,上頭的浣腸畫面卻不像醫療,而是某種儀式的場景。此後累積愈來愈多證據,現在可以肯定馬雅人不只為了醫療浣腸,還會在儀式性的場子中浣腸,有搞別人屁股,也可以自己搞自己屁股,還有互相浣腸的。

馬雅浣腸是德史密特的博士論文中,少數有關考古的題材,他不懂考古學,因此找到前輩地獄慕斯助拳。地獄慕斯搜藏不少馬雅小本本(主要是 6 到 9 世紀的古典期晚期),在其協助下,德史密特能充分發揮藥理學專業,跨領域探討古代馬雅人的浣腸學問。

出現浣腸注射器的馬雅陶器畫像。馬雅人長相並不奇怪,畫面中人只是戴著面具喝酒。圖/取自〈【食慾流動】今晚我想來點中美洲烈酒

「儀式(ritual)」的目的千變萬化(很多人類學家不知道怎樣解釋就說是儀式,老套路),馬雅浣腸的目的是什麼?德史密特認為一項意義可能是「淨化」。浣腸就是人為強制排出消化道中的廢物,在淨化儀式中適合作為象徵。

有些浣腸的目是追求快感,馬雅人應該也不例外,畢竟有些浣腸儀式的畫面,看起來就是派對。在儀式中使用藥物、興奮劑助興,不論古今都很常見。馬雅浣腸多半也是令參與者愉悅的儀式。還有人浣腸的目的是保健,像是現在也有人提倡咖啡浣腸。由此推敲,浣腸儀式能達到綜合性的目的。

浣腸跨越時空。福大命大的法蘭西大皇帝「太陽王」路易十四,便以喜愛浣腸聞名,別稱「大腸王」,據說一生浣腸超過 2000 次。當時浣腸和放血一樣,是流行的醫療與保健手段,不過懂玩的路易十四,想必也從中獲得不少快感。

提醒各位讀者,浣腸未必會傷害人體,但是一定有風險。不論目的是醫療、愉悅或保健,都要審慎進行,一旦碰到狀況,快點尋求醫療協助。尤其千萬不要用屁股直接喝酒或興奮劑!肛門、腸道細胞的吸收效果好,恐怕會不知不覺地中毒。

大腸王路易十四一邊浣腸,一邊接見外賓的歷史畫面。圖/取自 wiki 公共領域

實驗精神,注入!

注入肛門的液體是浣腸關鍵,浣腸液的配方、用量大有學問。幾乎可以確定馬雅人會用酒精浣腸,畫像中便能見到稱為「balché」的含酒精發酵飲料。

一堆博士牲讀的要死要活,即使僥倖畢業,也常常像 Long COVID 後遺症般,罹患遺憾終生的 Long PhD。德史密特的博士生涯卻充滿趣味,他拿自己的屁股做實驗,測試不同濃度與用量,讓讀者也猝不及防地上車。

讓人享受快感的浣腸,要將浣腸液留在腸道一段時間,不能馬上排出,所以不能注入太多。

德史密特在博士論文第 57 頁寫到,現代西醫操作下,超過 200 cc 只作為刺激排泄使用。古代藝術品中,有些看起來 size 很大大大的注射器,能注入不少浣腸液,其目的看似為快速大爆射的淨化功能,而非慢慢醞釀,體驗灌腸的愉悅感。

然而,德史密特又指出,他用自己屁股做實驗發現,即使注入 500 cc 的酒精灌腸液,也能輕易地維持不會大爆射。因此不能說注射器比較大支,就一定無法享受快感。

大腸王路易十四直呼內行:這荷蘭仔,懂玩!

攻打荷蘭的太陽王路易十四畫像。圖/取自 wiki 公共領域

浣腸液除了酒精,馬雅人還有哪些素材?

酒精以外,德史密特還測試過 DMT(dimethyltryptamine,N,N-二甲基色胺)浣腸,沒什麼特別感覺,不過他謹慎使用的劑量非常低。致幻劑 DMT 可以調製死藤水(ayahuasca)等迷幻藥,吃多會出人命,千萬不要胡亂嘗試。

作為藥理學家,德史密特討論多款可能的成分,不過沒有自稱試用過。像是咖啡因、尼古丁、迷幻蘑菇(psilocybian mushroom)、毒蠅傘(fly agaric,學名 Amanita muscaria)、睡蓮(water lily)、柯拉豆屬植物的蟾毒色胺(Anadenanthera alkaloid bufotenin,巴西植物 paricá 的種子)等等。

德史密特認為,他探討的大部分化學物質都不適合用於浣腸液,或是有機會被馬雅人使用。稀釋的咖啡因、尼古丁溶液肯定能用來浣腸,而且效果不錯。可是沒有馬雅人使用咖啡因、尼古丁浣腸的鐵證。

還有睡蓮值得一提。有些陶器畫面上出現睡蓮,可能作為儀式用途;而某些種類的睡蓮中又含有可作為致幻劑(hallucinogen)的成分,這才懷疑到睡蓮。但是睡蓮是否用於浣腸,至今仍缺乏可靠的證據。

這些研究看似搞笑,有什麼意義呢?不少人類學家、民族學家、考古學家,歷史學家做研究時,會接觸藥物與儀式,卻時常缺乏足夠的藥學知識,對於目的、用法、用量、效果等問題無法深入探討。人類學家 David J. Minderhout 在 1987 年的書評提到,德史密特以藥理學的視角切入,能彌補人類學、民族學的不足,對藥用植物感興趣的人,這類研究頗有參考價值。

總之就是,叔叔有練過,大家不要模仿。浣腸是有風險的行為,不論出於什麼目的,都要謹慎操作。

2022 年搞笑諾貝爾獎頒獎典禮影片(藝術史獎從 47:50 開始):

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

延伸閱讀

參考資料

  1. 2022 年搞笑諾貝爾獎得獎名單
  2. Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes
  3. 德史密特在 WHO 旗下 International Classification of Traditional Medicine(ICTM)的網頁
  4. 德史密特 1985 年的博士論文《Ritual enemas and snuffs in the Americas》
  5. de Smet, P. A., & Hellmuth, N. M. (1986). A multidisciplinary approach to ritual enema scenes on ancient Maya pottery. Journal of ethnopharmacology, 16(2-3), 213-262.
  6. Minderhout, D. J. (1987). Ritual Enemas and Snuffs in the Americas. Peter AGM de Smet.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
173 篇文章 ・ 620 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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不只是最美時代劇,《茶金》帶你看見「茶科學」(下)
CJCJ_96
・2022/03/17 ・2393字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

上篇中,我們提到《茶金》裡有關製茶與品茶的科學,另外劇中的化肥科學也相當值得一看。最後經筆者統計,《茶金》裡的科學出現頻率如表列:

表格資料挑選標準為「有談論或呈現科學內涵」,僅出現場景陳設不在此內。圖/吳辰君

由上表可以看到,《茶金》每一集中都至少會論及 1 次科學相關內容,12 集裡合計就提到了 30 次以上的科學!這對於一部講述產業史的時代劇,可以算是相當多。

《茶金》:一部好科學的故事文

在〈流行文化中的科學:告訴我你看什麼科學,我就知道你活在怎麼樣的科技世界〉(黃俊儒,2018)中,將承載科學訊息的流行文化文本做依文類區分成「說明文」及「故事文」,再依據內容屬性,廣義區分成「好科學」及「壞科學」。所謂好科學指的是描述正確、以證據為基礎、完整、精確、具有吸引力、與社會相關、具反省性的科學訊息;壞科學指的則是錯誤、神秘、虛假、粗糙、片面,或明顯具有偏見的科學訊息。

科學相關電視節目的分佈概況。圖/黃俊儒

就筆者觀察,《茶金》屬於「好科學的故事文」範疇,因為劇中提及的科學事實多為正確、具有證據為基礎。雖非完整、完全精確,但針對一部歷史類型的戲劇而言,製作團隊於茶知識相關的考證具有相當程度的「誠真性」,得以讓觀眾進入有脈絡的思考;站在牢固的茶知識背景上,建構劇情中所提及的歷史事件與時代氛圍。

誠真的茶科學呈現,出自誰手?

《茶金》呈現的科學很大部分拜賜美術指導賴勇坤與尤稚儀,以及擔綱質感師的陳新發。賴和尤兩人走遍全台茶廠,在茶廠巡禮時做田野調查、訪問地方耆老,試圖重現當年的茶廠風光。至於製茶工具,過往圖像資料不完整,加上天然材料難以保存,兩人便參考耆老與茶農的口述,尋找當今可用的替代品,如笳歷、焙茶籠等;並特別向日月老茶廠(位於南投縣魚池鄉)商借大型製茶機械。

茶葉有季節性,劇中會出現特定季節、特定狀態的茶葉,因此《茶金》美術團隊為忠實呈現茶的種類、製程及狀態,偶遇茶葉種類及產季不符拍攝時間地點的窘境,加上茶葉有保存期限,使道具組必須得到處蒐集茶葉,趕著送到現場。

正在挑揀茶葉的《茶金》美術道具組。圖/劇狗 DRAMAGO

另一位《茶金》的誠真性推手——台灣首位好萊塢等級的「質感師」陳新發,曾替《少年 Pi 的奇幻漂流》、《露西》、《擺渡人》等國際大片操刀。質感師就像場景的化妝師,能替物品點綴歲月,賦予視覺質感。陳新發在新北林口有間 250 坪大的工業區廠房,團隊在廠房內為道具噴塗漆料,讓劇中場景得以穿越時光。

《茶金》質感師陳新發。圖/中央社

戲如人生,從《茶金》看見台灣茶業的前世今生

劇組做了嚴謹的田野調查和史料考究,加上美術與場景的助力,讓《茶金》得以成為「好科學的故事文」。

進一步以科技知識、心理情緒、社會文化層面來深入檢視:

在科學知識面,《茶金》約可分為:一、採茶、製茶、品茶的局部操作;二、茶園、茶廠、品茶室等場景陳設;三、茶師遇上困境的解決方法;四、角色間的言談內容等面向。在心裡情緒層面,劇中刻畫製茶師間的溝通,展現其專業的角色樣貌,其中又以山妹作為一位「民間高手」,讓觀眾得以體會到製茶的不易與辛勞。從社會文化的角度切入,茶知識的呈現烘托了「茶」與「金」之間的關係,特別是在動盪的時代中,產業的取捨、轉型與衰落。

另外,《茶金》不僅是茶廠重要關係人(製茶師、老闆、茶農)的故事,劇中也有其他常民、農民、政府官員、商人、化肥公司等角色,角色之間所溝通的議題,也呈現多元的科學傳播技巧。許偉庭老師表示:「雖然《茶金》是一部講述時代與家族興衰的歷史影集,但茶主題的考究和精緻程度對故事和人物的刻畫都有所幫助。」

台灣茶產業發展 200 餘年以來,種植面積最高達到 4.8 萬公頃,外銷量最盛曾達6.5 萬公噸,但隨著土地與勞力成本上漲,台灣茶市場已由外銷市場轉為滿足內需,以生產精品的特色茶為主。隨著土地與勞力成本逐年增加,以及年輕消費族群的茶飲型態轉變,國內茶原料產量與成本無法滿足茶飲業者所需,故業者僅能尋求自國外進口,成本較低的紅茶與綠茶原料,諸多茶商也因此轉至海外投資,藉由人工成本較低廉的越南等地,從事部分發酵茶的生產,使得臺灣茶葉進口量急速上升。

戲如現實,當今面對強大市場競爭挑戰,臺灣茶業極力發揮農業韌性,積極導入新的種茶科技、拼配技術,並結合在地特色與多元文化,提升商用茶競爭力、強化茶的精緻特色,進入「茶業 3.0」的時代。

《茶金》奠基在嚴謹的科學考究上,影視工作者構築了一則完整且吸引人的故事。茶金時代如一面明鏡,讓觀眾除了看熱鬧,也看能門道,更能反思台灣茶業的過去、現在與未來。

圖/茶金官方 Facebook 粉絲專頁

參考資料

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CJCJ_96
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學校中的老大、社會裡的菜鳥,喜歡文字和影劇,近期才體會到科學魅力的文科少女。

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光學顯微技術探入果蠅腦袋最深處——描繪超高解析度的 3D 神經結構!
科技大觀園_96
・2021/08/30 ・3333字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

在常見的醫療影像技術中,有正子造影(PET)、磁振造影(MRI)及超音波等等,雖然
如何透過神經細胞彼此的連結產生進一步的功能,是21世紀科學界想破解的謎團。圖/Pixabay

大腦:人類未竟的疆土

當我望著無邊無際的蔚藍海洋、聽到浪花聲、感受微風的輕拂,喜悅地回想起和好友在此旅行的回憶,並決定拿起手機拍下眼前的美景,我是如何感知世界、如何儲存與提取記憶?我的情感、思想、決策與行為是如何發生的?這些心智行為的奧秘藏在擁有 860 億個神經細胞的大腦,是我之所以為我的關鍵。

究竟大腦如何運作?這些神經細胞是如何透過彼此的連結與交互作用產生進一步的功能?進入 21 世紀以來,美國、歐盟、日本、中國等紛紛成立大型且長期的腦科學研究計畫,企圖揭開大腦的奧秘。

我國科技部也推出「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」,整合既有研究能量與專業人才,期望建構模式動物至部分人腦的腦神經網路結構及功能圖譜,並帶動腦部疾病的精準醫療。

光學顯微鏡:小動物腦研究的利器

想要全面分析大腦的結構與訊號,解開單一或一群神經細胞的連結情形,精良的觀測工具是其根本,因此臺大物理系教授朱士維致力研發先進的光學顯微鏡技術。

朱士維表示,常用於醫療的影像技術,像是正子造影(PET)、磁振造影(MRI)、超音波等,雖然可以穿透很深的物體,但是解析度不夠高,無法看到單一細胞;而解析度極高的電子顯微鏡穿透深度卻很小,只能看到表層。光學顯微鏡恰好介在中間,適合用於研究小動物的腦。近期,朱士維的跨領域團隊發表了數個嶄新的顯微技術,分別在解析神經訊號和結構有了重大突破。

數個影像技術在解析度與穿透深度的分布。圖/朱士維提供

飆速3D攝影,解析神經的功能性連結

首先,研究團隊發表了「高速體積成像系統」,是全球第一次可在活體果蠅腦中以毫秒解析度取得神經結構 3D 高速動態影像!

「高速體積成像系統」是由雙光子顯微鏡與「可調變的聲波漸層透鏡」(TAG)結合構成。拍攝二維的動態影像並不稀奇,厲害的是,研究團隊如何把二維變成三維?關鍵就在於「可調變的聲波漸層透鏡」。由於液體透鏡的密度,會決定光的折射率,進而影響焦距的長短,研究團隊透過壓電材料激發液體透鏡共振,當透鏡的密度不斷變化,焦點也會快速移動,其振盪頻率可高達 100 kHz – 1 MHz,也就是說,在 10 萬分之一秒以內即可完成焦點的來回移動。

「可調變的聲波漸層透鏡」(TAG)放置在物鏡前面,透過壓電材料促使TAG密度改變,進而移動焦點位置。圖/朱士維提供
焦點快速移動的示意動畫。圖/朱士維提供

一般雙光子顯微鏡每拍攝一次只能拍到水平面(xy 軸)的像素並組成二維影像,若加上「可調變的聲波漸層透鏡」組成「高速體積成像系統」,即可同時進行深度(z 軸)的來回掃描,在同樣的時間內拍攝出一個包含各個深度的體積三維影像。 

同樣的時間下,原本只能掃描一個水平面,有了「可調變的聲波漸層透鏡」,則可掃描完一個體積。圖/改自參考資料 2

這項強大的技術對於研究神經與神經之間的功能性連結非常有用,譬如說,想了解果蠅如何處理嗅覺訊號,我們可以給果蠅聞一種特殊氣體,以「高速體積成像系統」綜觀其腦,即可找出此特殊的嗅覺刺激會引發哪些下游神經反應。接著,選擇想深入研究的神經,將拍攝範圍鎖定在該神經所在的區域,便可以毫秒時間解析度與微米空間解析度,追蹤訊號在這些神經細胞之間的傳遞順序。 

朱士維表示,「高速體積成像系統」的突破之處,在於可以於腦中劃定任意形狀的空間,並以毫秒等級的時間解析度,看見目標神經中各個神經細胞的電生理動態行為。

研究團隊更進一步發展光學神經激發系統,用光精準地刺激個別神經,再透過「高速體積成像系統」,輔以自動化影像分析,精準定位有反應之神經區域,做到「全光學生理」觀察(all-optical physiology)。目前已成功解析果蠅的視覺神經迴路中,上下游的神經連結與編碼模式。

「高速體積成像系統」以高速動態影像研究神經細胞功能上的連結,為建立果蠅的「功能性全腦連結體(connectome)」提供強而有力的工具。

探入果蠅腦深處,描繪超高解析度的 3D 結構

此外,在結構解析方面,顯微鏡光是能看到神經細胞還遠遠不足。神經細胞有樹突、軸突等向外延伸的纖維,有些纖維寬度只有 100 奈米,當兩條神經纖維緊鄰彼此,需要小於 100 奈米的解析度才能將它們區分開來。而且,神經纖維常常延伸至很遠的地方與其他神經細胞連結,因此顯微鏡的穿透深度,還須深至腦的最底層。

朱士維團隊發表了「深組織超解析光學技術」(Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing, COOL),在果蠅全腦中達成 20 奈米的超高空間解析度,剖析腦中神經的細微結構,能分辨出相鄰或彼此纏繞的神經纖維,藉以判斷神經連結的路徑。

三維的神經纖維分布圖像。「深組織超解析光學技術」可將兩條緊密交纏的神經纖維清楚分離開來。右下圖為相同神經與染色,傳統共軛焦影像無法分辨神經纖維的細緻結構。圖/朱士維提供

「深組織超解析光學技術」結合了四個關鍵技術,包含「螢光蛋白標定」、「共軛焦掃描顯微鏡」、「光學組織澄清技術」以及「定位顯微技術」。

「定位顯微技術」是 2014 年諾貝爾化學獎的得獎項目,透過操縱螢光分子輪流放光,再分別計算螢光分子的中心位置,打破光學顯微鏡的解析度極限,大幅提高解析度至接近 20 奈米。「光學組織澄清技術」則是江安世院士發明的 FocusClearTM 試劑,因其獨特的化學配方,讓生物組織各部位的折射率一致,呈現透明狀態。

朱士維團隊找出可適用於腦組織的螢光分子並改善其放光能力,成功將定位顯微技術應用在果蠅腦,並且透過光學組織澄清技術讓腦組織透明化,減少組織的散射與像差,提高穿透深度,以及利用共軛焦掃描顯微鏡一層一層地掃描不同深度的影像。最終,組合成三維的超高解析影像。

這項技術最厲害之處在於可穿透厚度約 200 微米的果蠅腦,在果蠅全腦皆達成 20 奈米的解析度,可應用在建立果蠅全腦的神經連結網路。

跨領域團隊 開創顯微技術新紀元

這些研究成果仰賴跨領域的團隊,除了朱士維,還有清華大學腦科學研究中心主任、中央研究院院士江安世、中研院物理所副研究員林耿慧、清大工程與系統科學系副教授吳順吉、清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安、捷絡生技公司執行長林彥穎等人,共同參與研究。

諾貝爾生醫獎得主 Sydney Brenner 曾說:「科學的進展往往是始自新的技術」,腦科學作為 21 世紀科學界的兵家必爭之地,顯微技術的研發重要性不言可喻。朱士維團隊在動態的神經訊號與靜態的神經結構,皆發展出相應的顯微技術,可說是為腦科學領域開拓出令人期待的嶄新未來。

朱士維團隊開發的兩種顯微技術比較表。圖/沈佩泠繪

參考資料

  1. K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, Y.-Y. Lin, K. Su, K.-L. Feng, S.-C. Wu, Y.-C. Lin, A.-S. Chiang, S.-W. Chu*, “Millisecond two-photon optical ribbon imaging for small-animal functional connectome study”, Opt. Lett. 44, 3190-3193 (2019). 
  2. C. Huang, C.-Y. Tai, K.-P. Yang, W.-K. Chang, K.-J. Hsu, C.-C. Hsiao, S.-C. Wu, Y.-Y. Lin*, A.-S. Chiang*, and S.-W. Chu*, “All-optical volumetric physiology for connectomics in dense neuronal structures”, iScience22, 133-146 (2019)
  3. H.-Y. Lin, L.-A. Chu, H. Yang, K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, K.-H. Lin, S.-W. Chu*, A.-S. Chiang, “Imaging through the whole brain of Drosophila at λ/20 super-resolution”, iScience14, 164-170 (2019). 
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科技大觀園_96
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