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如何看穿我們的腦?

葉綠舒
・2011/10/15 ・819字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 569 ・九年級

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日本的RIKEN腦科學研究所,最近發明了一種被稱為”Scale”的水溶液(1);當他們把使用螢光蛋白標定後的神經組織泡在這溶液中,原本灰白色的組織會被轉為透明,但是標定的蛋白質的會被保存下來(2),於是成了下圖的模樣:

圖片來源:New York Times

由於腦組織經過這樣處理後,研究者可以把細微的結構看得非常清楚,包含哪個神經元跟哪(些)神經元有接觸,因此RIKEN研究所的宮脅淳教授對於他們的發明非常的興奮,希望能藉由這個溶液一步步地解開大腦的奧秘。

當然,以人腦的複雜度來說,如果一開始就以人腦來作為研究的材料,一方面材料不易取得,另一方面研究者可能也會馬上陷入五里霧中;因此他們打算要由小鼠開始,先建立起小鼠的腦神經元連結地圖(他們稱為”connectome”),接著再建立不同年齡(也就是不同的發育階段)的小鼠的腦神經元連結地圖;然後才會開始使用人腦。

在太平洋的另一端的美國,在2009年建立了由16個單位共同合作的’Human Connectome Project‘,計畫透過以MRI,MEG(Magnetoencephalography,腦磁圖,利用偵測大腦產生的電流所造成的磁場來記錄大腦活動的儀器(3))與EEG(Electroencephalography,腦電圖,記錄大腦產生的電波的儀器(4))等儀器掃瞄志願者的大腦,嘗試著建立起大腦中的腦神經元連結地圖;其中一位在哈佛大學的Lichtman教授對於RIKEN研究團隊的發明大感振奮。他認為這個溶液可以幫助研究者了解更多大腦的奧秘。

有意思的是,這個溶液其實一點也不貴。根據RIKEN研究團隊表示,Scale的成分就是尿素、甘油跟介面活性劑而已。但這個溶液只能使用在死的組織上,活的組織無法使用這個溶液;研究團隊盼望有一天能有個方法讓他們可以直接觀察活的組織,不過以目前來看,Scale已經是目前的首選了。

參考資料:

1. NY Times. Chemical cocktail turn brain’s gray matter transparent.
2. H. Hama, H. Kurokawa, H. Kawano, R. Ando, T. Shimogori, H. Noda, K. Fukami, A. Sakaue-Sawano & A. Miyawaki. 2011. Scale: a chemical approach for fluorescenceimaging and reconstruction of transparent mouse brain. Nature Neuroscience doi:10.1038/nn.2928
3. Wikipedia. 2011/10/10. Magnetoencephalography.
4. Wikipedia. 2011/10/12. Electroencephalography.

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天選之人!為什麼地球上只有我們是高智慧生命體?——《人類的旅程》
商業周刊
・2022/10/21 ・2959字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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人類最早的足跡

爬著蜿蜒的山路,前往位於現代以色列的迦密山洞穴,不難想像史前時代這一帶的壯麗環境。

地中海型氣候應是四季宜人,氣溫只會小幅變動。附近青翠的山谷裡,穿山越嶺曲折流過的溪流,應是飲用水的來源。山脈旁的森林應適合狩獵鹿、瞪羚、犀牛、野豬。再向外,在毗連狹長海岸平原及撒馬利亞山脈的開闊荒野地帶,應生長著史前品種的穀物及果樹。四周的溫暖氣候、多樣性生態及生食材料,應使迦密山洞穴成為萬千年來,無數狩獵採集族群的理想家園。

這些古代洞穴,如今是聯合國教科文組織(UNESCO)的人類演化世界遺產,從中挖掘出的遺物確實證明,在數十萬年間,這裡曾有一連串史前人類棲息地,同時智人與尼安德塔人(Neanderthals,譯注:遺跡最早在德國尼安德河谷被發現的史前人類)可能曾經相遇,引人遐思。

1920 年查爾斯.R.奈特( Charles R. Knight )所畫的,想像中的史前人類。 圖/wikimedia

在此地和世上其他遺址的考古發現,顯示遠古及早期現代人類,是緩慢但持續學會新技能,善於用火,打造出越來越精細的刀刃、手斧、黑燧石及石灰石工具,也創作藝術作品。這些文化與技術進步,逐漸成為人類特徵,使我們有別於其他物種,而關鍵的推力之一,是人類腦部的進化。

人腦為什麼能發展得如此特別?

人類的腦部非比尋常:容量大且經壓縮,比所有其他物種的腦部都複雜。人腦的大小在過去六百萬年裡長大三倍,這種變化大都發生於二十至八十萬年前,以智人出現前為主。

在人類歷史的長河中,人腦的能力為何能擴展到如此強大?答案乍看之下或許不言而喻:頭腦發達顯然使人類可以達到地球上沒有其他生物辦得到的安全與繁榮水準。然而,事實真相要錯綜複雜得多。要是像人腦那樣的腦部,真的如此明確有益於生存,那其他物種經過數十億年演化,為何未發展出類似的腦部?

我們暫且來看看其間的差別。以眼部為例,它是沿幾條演化路徑獨立發展。有脊椎動物(兩棲類、鳥類、魚類、哺乳類、爬蟲類)的眼部,頭足類動物(烏賊、章魚、墨魚)的眼部,還有較簡單形式:單眼,見於蜜蜂、蜘蛛、水母、海星等無脊椎動物。這種現象稱為趨同演化(convergent evolution),就是不同物種各自演化出相似的特徵,而非來自共同祖先的既有特徵。眼部之外的例子不勝枚舉,像是昆蟲、鳥類、蝙蝠都有翅膀,魚類(鯊魚)與海生哺乳類(海豚)為適應水下生活而體形類似。

顯然不同物種是各自發展而獲得近似的有利特徵,但是能夠創作文學、哲學、藝術傑作,或發明耕犁、輪子、指南針、印刷機、蒸汽引擎、電報、飛機、網際網路的頭腦,卻是例外。這種頭腦只演化過一次,在人體上。

人腦隨著演化發展與進化。圖/pixabay

這麼強大的腦部,具有明顯的優勢,為何在自然界絕無僅有?

這個謎題的解答,有部分要歸咎於腦部的兩大缺點。一來人腦需消耗龐大能量。它只占人體二%的重量,卻要消耗二○%的能量。其次人腦很大,使新生兒頭部很難通過產道。因此比其他動物的腦部,人腦更壓縮或更「褶皺」,並且人類嬰兒出生時,腦子只有「半熟」,需要好多年的微調才能成熟。

所以人類嬰兒無生活能力:許多動物的幼兒出生後不久就會走路,也很快就能自己覓食,人類卻需要兩年時間才能穩穩地走路,至於物質上自給自足,還要很多年。既然有這些缺點,那當初是什麼因素導致人腦的發展?

研究者曾認為,或許有數種力量共同促成這一過程。

生態假說(ecological hypothesis)主張,人腦是出於人類暴露在環境挑戰下而進化。當氣候起伏不定,附近動物的數量隨之增減,腦部較發達的史前人類更能夠找到新的食物來源,設計捕獵採集策略,發展烹煮及儲存技術,使他們在棲息地生態條件不斷變動下依舊能夠生存並興旺。

反之,社會假說(social hypothesis)主張,在複雜的社會結構中日益需要合作、競爭、交易,這促成更精進的腦部,才更有能力去理解他人的動機,預期他人的反應,於是成為演化優勢。同理,能夠說服、操弄、恭維、敘述、娛人,這些都有利於個人社會地位,也有它本身的好處:刺激大腦發展及說話、論述能力。

文化假說(cultural hypothesis)則強調人類吸收及儲存資訊的能力,使資訊能夠代代相傳。依此觀點,人腦的獨特優勢之一是能夠有效率地學習他人經驗,養成有利的習慣與偏好,不必仰賴緩慢許多的生物適應過程,即可促進在各種環境下存活。換言之,人類嬰兒雖然身體上無能為力,但是頭腦裡備有獨特的學習能力,包括能夠領會及保留,曾幫助祖先存活、也將協助後代興盛的行為規範,那就是文化。

另一種可能進一步推動腦部發展的機制,是性選擇(sexual selection)。即使對腦部本身沒有明顯的演化優勢,但人類也許形成了對頭腦較發達的配偶的偏好。這些先進的頭腦或許具有對保護及養育子女很重要的隱形特質,有意找這種配偶的人,從可辨認的特徵像是智慧、口才、思慮敏捷或幽默感,能夠推斷出這些特質。

科技進步下越來越聰明的大腦!

人類獨有的進步以人腦進化為主要推力,尤其在於它有助於帶來技術進步:以日益精進的方式,把周遭自然物質及資源轉為我們所用。技術進步又塑造繼起的演化過程,使人類得以更成功的適應不斷變動的環境,從而進一步推動新科技及加以利用。這種重複且具強化作用的機制引導著科技加速向前邁進。

隨著技術進步大腦也更快速發展。圖/pixabay

尤其有人主張,越來越熟諳用火的早期人類開始烹煮食物,因而減少咀嚼和消化所需的能量,以致熱量充裕,並空出原本由顎骨和肌肉占據的頭顱空間,更加刺激腦部成長。這種良性循環或許促進烹飪技術更多創新,繼而又使腦部進一步成長。

不過腦部並非人類與其他哺乳類唯一有別的器官。人的手也是其一。與腦合作的雙手,也在一定程度上為回應技術而演化,尤其受益於製作及使用狩獵工具、針、烹飪器皿。

特別當人類長於雕刻石頭、製作木矛等技術時,能夠強力使用並正確加以改良的人,存活的可能性就增加。擅長狩獵的人能夠更可靠地養家活口,扶養更多子女長大成人。相關技能的世代傳承,使人口中能幹的獵人比例增加。再來,進一步創新的好處,如更堅硬的矛和後來更強的弓、更尖的箭等,又提高狩獵技藝的演進優勢。

類似性質的正面回饋循環,見於整個人類歷史:環境變遷與技術創新,促進人口成長,引發人類去適應變化中的棲息地和新工具,這些適應增強人類操縱環境、創造新技術的能力。在後面會看到,這種循環是理解人類歷程,解開成長謎團的關鍵。

———本書摘自《人類的旅程》,2022 年 10 月,商業周刊,未經同意請勿轉載

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鑑識故事系列:定罪兼診斷?!性器黑色素沉著症
胡中行_96
・2022/10/06 ・1475字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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日本警察逮捕了一名年紀約三十出頭的男性嫌犯,認為他強姦年輕女子。[1]

在嫌犯否認指控的同時,警察找到其手機裡的一支影片,內容正是記錄犯罪的行為。就一般的辦案程序而言,警方會期望從中瞭解加害人的生理特徵,例如:髮色、傷疤或刺青等,作為接下來指認身份的根據。然而,儘管其畫面包含性侵者性器的外貌,偏偏就是看不到人臉。嫌犯逮到這個天賜良機,辯稱別人闖入他家,在那裏發生性關係,並用該手機拍攝過程。總之,就是把責任撇得一乾二淨。[1]

幸好鍥而不捨的警方在無奈之餘,注意到錄像中的陰莖,有個不明顯的特徵。這讓他們想到一個好主意。[1]

沒有臉龐的性交畫面,成為指認當事人的挑戰。圖/喜多川歌麿〈歌枕〉(1788;Public Domain)

警方把手機影片中陰莖畫面的截圖和嫌犯下體的照片,帶去日本自治醫科大學附屬埼玉醫療中心(自治医科大学附属さいたま医療センター)的法醫部門。他們請教皮膚科醫師,該陰莖上的色素沉著(pigmentation),是否能夠證明性侵者的身份。醫師觀察到嫌犯的陰莖,有輪廓不規則的零星斑點,呈現濃淡不一的灰黑色,並在接近龜頭處顏色較深。根據嫌犯本人的說法,那些不痛不癢的色斑從青春期就存在。於是,皮膚科醫師以此做出診斷,並針對案件證據以及嫌犯的健康,提供專業意見。[1]

左邊是手機影像截圖;右邊則為嫌犯的陰莖照片。圖/參考資料1,Figure 1(CC BY 4.0)

首先,嫌犯應該患有性器黑色素沉著症(genital melanosis)。這種變異在皮膚科的病人中,僅佔 0.01% 左右。[1, 2]不過,因為除了皮膚顏色改變,沒有其他症狀,以致容易被患者忽略,所以真實的盛行率或許更高。有如此罕見的病徵與錄像吻合,皮膚科醫師當然非常肯定這是足以定罪的重要證據。[1]

其次,雖然性器黑色素沉著症是良性的,但在此皮膚科醫師並沒有取得切片,做更深入的檢查,所以無法排除黑色素瘤(melanoma)的可能性。此外,在生殖器惡性腫瘤裡,有 8 – 10% 為性器黑色素瘤,是第二常見的性器癌症。就算嫌犯陰莖上的僅是黑色素沉著症,這類患者中 15% 的人,在身體的其他部位,也會出現黑色素瘤。換句話說,他罹癌的機率比一般人高。[1]

黑色素瘤有口訣為 ABCDE 的五大徵兆:形狀不對稱(asymmetrical)、邊緣不規則(border)、顏色不均勻(colour)、尺寸比豆子大(diameter),還有持續變化(evolving)。[3]從皮膚科醫師的描述,以及嫌犯陰莖的照片,可知他的情形明顯符合上述徵兆中的幾項。即使沒有任何不適,為了以防萬一,也早該去醫院諮詢。

最後,在皮膚科醫師斬釘截鐵的證詞,以及令人魂飛膽喪的罹癌風險下,焦慮至極的嫌犯終於俯首認罪,而且同意去皮膚科做更進一步的檢查。大功告成之後,自治醫科大學附屬埼玉醫療中心的團隊,把此案寫成論文拿去投稿,登載於 2021 年的《鑑識科學、醫學與病理學》(Forensic Science, Medicine, and Pathology)期刊上,並在結論中強調整合皮膚科理論與刑事鑑定的重要性。[1]

 

延伸閱讀

英國「學童」取代「病理學家」?!辨識癌細胞的人工智慧

陰莖,是社交安全的重要指標?!

參考資料

  1. Yamada A, Demitsu T, Umemoto N, et al. (2021) ‘Video image of genital melanosis provides strong evidence to support identification of a sexual offender’. Forensic Science, Medicine, and Pathology, 17, 510–512.
  2. Haugh AM, Merkel EA, Zhang B, et al. (2016) ‘A clinical, histologic, and follow-up study of genital melanosis in men and women’. Journal of American Academy of Dermatology, 76 (5): 836-840.
  3. What Are the Symptoms of Skin Cancer?’ (18 APR 2022) U.S. Centers for Disease Control and Prevention.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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食品界的奇葩:讓人又愛又恨的納豆
iGEM NCHU_96
・2022/10/05 ・2204字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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納豆原本是日本的傳統食品,現在台灣也到處都可以看得到了。雖然不好聞,而且還黏黏的,很多人卻因此就愛這一味,連台灣人也不例外。那麼納豆到底是怎麼來的?又是怎麼做的呢?

納豆是由大豆經過名為 Bacillus subtilis natto 的枯草桿菌發酵後製成,氣味獨特,類似辛辣的陳年奶酪。攪拌納豆會產生許多粘稠的細絲,通常被當作早餐吃(拌/不拌派戰起來!),可以放在米飯上,再搭配芥茉、醬油,或是日本洋蔥,稱為 納豆ごはん (米飯上的納豆)。

納豆偶爾也用於其他食物,例如壽司、吐司、味噌湯、玉子燒、沙拉,或是作為御好燒、茶飯的成分,甚至可以與義大利麵一起食用。看著看著,再加上想像,是不是就讓人垂涎欲滴呀!

納豆飯。圖/Unsplash

儘管有許多人覺得它的味道令人不快,其他人卻將它作為佳餚。眾所皆知,納豆在日本關東東部地區很受歡迎,但在關西地區不太受待見。

在 1990 年左右,「乾納豆」和「油炸納豆」問世,氣味和黏性降低,這對不喜歡傳統納豆氣味和質地的人來說,更容易食用;而另一種名為「豆乃香」的發酵大豆,也透過改良大豆和納豆芽孢桿菌品種,降低了黏性。

納豆是從哪裡來的?有兩種故事版本!

關於納豆的最早起源眾說紛紜、莫衷一是。一種理論認為,納豆是在遙遠的過去,在多個地方各自起源的,因為它的製作材料及工具,自古以來就很常見。

  1. 日本的傳奇起源

西元 1086 年至 1088 年間,武士源義家在日本東北部進行一場戰役。某天,部隊在為馬兒煮大豆時,不巧遭到襲擊。他們急忙收起豆子,過幾天重新打開草袋,發現裡面的大豆竟然已經發酵了!士兵們或毫不在意,或硬著頭皮地吃了下去,才驚覺意外地好吃。於是,這種獨特而濃郁的風味,很快便在日本流行起來。

源義家是日本平安時代後期的著名武將。圖/Wikipedia
  1. 中國起源

在納豆之前,中國有一種類似的黑豆發酵食品,叫做「豉」或「豆豉」。這些在中國發明的大豆調味料,經由商品化後,傳播到整個東亞。這種食物通常由整粒發酵的大豆,透過鹽漬、發酵和陳化等手法製成。

但是,中國與日本的成分和製作方法有所不同:中國人使用黑豆和黃豆來製作豆豉,日本人卻只使用黃豆來製作納豆。另外,鹽的用量也會影響豆豉和納豆的味道和外觀。

大豆的種植方法是在彌生時代從中國傳入日本的。後來,鹽開始在日本流通,成為豆豉開始生產的契機。不過,當時的鹽非常昂貴,所以有些人認為,納豆是在生產豆豉時,偶然發明出來的食物。

除此之外,平城京出土的木簡上頭寫著「豉」字,因此,也有人認為是在中國豆豉傳入日本後,日本人才得以藉此發明納豆。

不同品牌的豆豉。圖/Wikipedia

想製作納豆?你可能得花費不少時間

納豆是由大豆製成的,通常會優先選擇較小顆的豆子。如此一來,在發酵過程中,就能更輕易地發酵到中心部位。首先,豆子會先被清洗乾淨,然後在水中浸泡 12~20 小時,以增加它們的大小,接下來再蒸 6 小時。

此時,必須特別注意,使材料遠離雜質和其他細菌。這些混合物需要在 40℃ 發酵長達 24 小時。之後置於冰箱冷卻、陳化一個禮拜,使納豆變得黏稠。在這些加工過程中,都必須盡可能地避免接觸到大豆,否則大豆也可能會受到皮膚上的菌群汙染。

納豆富含營養,卻不是人人能吃

那麼,納豆是如何從日常佳餚,搖身一變,成為保健食品呢?

大豆在發酵過程中,化學成分會有很大的改變。除了保有原本的蛋白質、鈣質、維生素 B1、食物纖維等營養素之外,更增加了發酵生產的多種維生素,例如維生素 B2、B6、K2 等等。納豆的營養素相當多元且豐富,每 100 公克就含有多種礦物質與維生素,包括:鐵(每日建議攝取量的 66%)、錳(73%)和維生素 K(22%)。

此外,納豆內含一種稱為「納豆激酶」的酵素,更是有多種保健功效,可以降低血壓、降低動脈硬化、降低因心血管疾病造成的死亡率、溶解血栓、強健骨骼、維護腸道健康、增強免疫系統。

然而,不是所有人都適合食用納豆激酶,因為納豆激酶有抗血栓(凝血)及降血壓的功用,不建議與抗凝血劑、降血壓藥一起服用。如果患有出血性疾病,也不建議食用。但一切都應在醫師的指示下,再作定奪。

如果不確定能不能吃納豆,可以先諮詢醫師喔!圖/Unsplash

參考資料

  1. Hosking, Richard (1995). A Dictionary of Japanese Food – Ingredients and Culture. Tuttle.
  2. McCloud, Tina (7 December 1992). “Natto: A Breakfast Dish That’s An Acquired Taste”. Daily Press.
  3. Deutsch, Jonathan; Murakhver, Natalya (2012). They Eat That?: A Cultural Encyclopedia of Weird and Exotic Food from Around the World. ABC-CLIO.
  4. William Shurtleff; Akiko Aoyagi (2012). History of Natto and Its Relatives (1405–2012). Soyinfo Center.
  5. “起源は?発祥は?知られざる納豆の歴史 | ピントル”. 納豆専門ページ | ピントル (in Japanese).
  6. “History of Natto and Its Relatives (1405-2012) – SoyInfo Center”. www.soyinfocenter.com.
  7. “History of Soy Nuggets (Shih or Chi, Douchi, Hamanatto) – Page 1”. www.soyinfocenter.com.
  8. “糸引きの少ない納豆「豆乃香」の開発” (PDF) (in Japanese). Ibaraki Prefectural Industrial Technology Center.
  9. “納豆が出来るまで。納豆の製造工程”. Natto.in. 2004. Archived from the original
  10. USDA Database: https://fdc.nal.usda.gov/fdc-app.html#/food-details/172443/nutrients
  11. Chen H, McGowan EM, Ren N, Lal S, Nassif N, Shad-Kaneez F, et al. (2018). “Nattokinase: A Promising Alternative in Prevention and Treatment of Cardiovascular Diseases”. Biomarker Insights.
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