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哪來的狡兔有三窟?

鄭國威 Portnoy_96
・2011/02/06 ・239字 ・閱讀時間少於 1 分鐘
相關標籤: 兔子 (5)

羚羊兔(Lepus alleni)

友站科學松鼠會的作者瘦駝發表了一篇應景的「兔文」,在進入兔年之始,也讓我們更全面了解兔子這種跟人類非常親近卻複雜的動物。2300年前的中國本土兔子真的懂得「狡兔三窟」嗎?只吃含纖維質的草,兔子該怎麼消化?兔子也吃肉嗎?兔子的體型可以有多大、多小?人人都知道兔子很會生,但你知道兔子在生第一胎之前就可以又懷上第二胎嗎?…各種關於兔子的知識,請見「狡兔」有段穿越史

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 1300 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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精神個案系列:不可愛的兔子症候群
胡中行_96
・2023/01/26 ・1914字 ・閱讀時間約 3 分鐘

修長的雙耳、無辜的眼神、強勁的後肢、柔順的絨毛、蓬鬆的短尾,以及鼓起的腮幫子…他都沒有。但是止不住的口部運動,仍使他像極了嚼草的兔子。[1]他不可愛,應該說現在可愛不起來。這不全然基於中年大叔的外型,更因為那藥物副作用所帶來的無奈。

兔子進食示意圖。圖/Barry Hall on Flickr(CC BY-ND 2.0)

雙極性疾患

還是個 20 歲青春少年兄的時候,他有陣子心情緊張,睡眠需求銳減,出現視聽幻覺以及關係妄想(referential delusions)。[1]深信一些隨機遇上的事物,跟自己有特定關係。[2]當時的醫師診斷他處於雙極性疾患(舊稱「躁鬱症」;bipolar disorder)的躁期(manic episode)。從此他屢次住院,接受各式治療。二十年來,總共經歷 8 次躁期;與 2 次狀況相反,情緒低落的鬱期(depressive episodes),更在墜至谷底時試圖自殺。[1]

40 歲那年,他又陷入躁期:具攻擊性、亢奮少睡、躁動不寧、被害妄想,並且無法控制心中怒火。住進土耳其科尼亞研究暨訓練醫院(Konya Research and Training Hospital)前,他理應每日服用情緒穩定劑lamotrigine和valproic acid,以及抗精神病藥物risperidone。然而最末項,卻被他自行停藥。醫師決定保留前二者,再加上口服的抗精神病藥物aripiprazole,稍後又將其改為同成份的長效型肌肉注射。[1]

土耳其科尼亞市景。圖/Perencal on Wikimedia Commons(CC BY-SA 3.0)

Aripiprazole

Aripiprazole(阿立哌唑;商品名:Abilify、安立復)是第二代抗精神病藥物,主要用於思覺失調症(schizophrenia)與雙極性疾患;也能治療泛自閉症障礙(autistic spectrum disorder)、重度憂鬱症(major depressive disorder)以及妥瑞症(Tourette syndrome)。[3, 4]療效來自對多巴胺和血清素受器的作用,能降低精神科住院機率。比起第一代以及其他第二代的抗精神病藥物,aripiprazole比較不會在運動和代謝方面,造成副作用;[4]也不容易因為阻斷多巴胺受器,而導致肢體不受控制的錐體外症狀(extrapyramidal symptoms,簡稱EPS)。[4, 5]

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在採用肌肉注射前,必須先口服同成份的藥物,建立耐受性(tolerability)。[4]確保病患於可容忍的副作用範圍內,安全地獲得療效。這對將來長期使用此藥的成功與否至關重要。[6]從口服轉換至注射的頭14天,仍得持續使用口服藥物。在施打第一劑aripiprazole後,約 5 至 7 日左右,藥物會達到最高血漿濃度。 [4]

兔子症候群

打完那劑aripiprazole的一個月後,男子的嘴巴不由自主,又開又閉,速度之快,猶如忙碌進食的兔子。[1]

兔子症候群(rabbit syndrome)首見於 1972 年,是一種罕見的錐體外症狀。[1, 7]通常是第一代抗精神病藥物所致;不過偶有第二代的案例出現。[1, 8]整體來說,影響約 1.5 至 4.4% 的抗精神病藥物使用者。[9]病患嘴巴的肌肉會以每秒 4 到 6 次,也就是平均 5 赫茲(Hz)的頻率,規律地垂直運動,神似兔子咀嚼。[1, 7, 9, 10]嘴唇開闔時,多少會發出「啵、啵」聲。[10]此症不涉及舌頭,[8, 10]亦不妨礙口語溝通,甚至在講話時會暫時消失。(請見下方影片。)[9]

非本案的兔子症候群病患,照著醫師指令動作和講話。影/參考資料9(CC BY 4.0)

治療雙極性疾患固然重要,也不能放任惱人的副作用不管。醫師逐漸減少男子 aripiprazole 的劑量,直到完全停用。[1]同時,開立對付動作障礙疾病的抗膽鹼藥物 biperiden,以及能鎮靜神經的苯二氮平類藥物 diazepam,讓他每日服用。[1, 11, 12]花了二個月的時間,兔子症候群的症狀才完全消失。

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  1. 11th International Congress on Psychopharmacology & 7th International Symposium on Child and Adolescent Psychopharmacology’. (2019) Psychiatry and Clinical Psychopharmacology, 29:sup1, 129-263.
  2. Startup M, Startup S. (2005) ‘On two kinds of delusion of reference’. Psychiatry Research, 15;137(1-2):87-92.
  3. Aripiprazole’. (15 JAN 2022) MedlinePlus.
  4. Gettu N, Saadabadi A. (21 MAY 2022) ‘Aripiprazole’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  5. D’Souza RS, Hooten WM. (01 AUG 2022) ‘Extrapyramidal Symptoms’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  6. Stanulović V, Hodolic M, Mitsikostas DD, et al. (2022) ‘Drug tolerability: How much ambiguity can be tolerated? A systematic review of the assessment of tolerability in clinical studies’. British Journal of Clinical Pharmacology, 88(2):551-565.
  7. Rissardo JP, Caprara ALF. (2020) ‘Cinnarizine- and flunarizine-associated movement disorder: a literature review’. The Egyptian Journal of Neurology, Psychiatry and Neurosurgery, 56, 61.
  8. Gundogmus I, Tekin S, Tasdelen Kul A, et al. (2022). ‘Amisulpride-induced late-onset rabbit syndrome: Case report and literature review’. European Psychiatry, 65(S1), S712-S712.
  9. Aniello MS, Altomare S, Difazio P, et al. (2021) ‘Functional Rabbit Syndrome: A Case Report’. Tremor and Other Hyperkinetic Movements, 11(1):56.
  10. Catena Dell’Osso M, Fagiolini A, Ducci F, et al. (2007) ‘Newer antipsychotics and the rabbit syndrome’. Clinical Practice and Epidemiology in Mental Health, 3, 6.
  11. U.S. National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases. (20 JUL 2017) ‘Biperiden’. LiverTox: Clinical and Research Information on Drug-Induced Liver Injury.
  12. Dhaliwal JS, Rosani A, Saadabadi A. (03 SEP 2022) ‘Diazepam’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
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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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不會跑跳的兔子會倒立,竟是基因突變所導致!
Carol
・2021/08/07 ・3137字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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大部分的哺乳動物可以隨意地轉換不同的姿態,例如步行、跑步、小跑及奔跑,有利於改變移動的速度,並且可以適應地形的改變。協調的肢體運動對於動物的生存及繁殖相當重要,位處於脊髓的中樞神經網絡則是負責調控四肢運動的能力,例如:左右腿的協調。不同動物會使用不一樣的運動方式。兔子可以跳躍,當他們進行跳躍運動(saltatorial locomotion)時,前肢會有節奏地向前移動,後肢則協調的雙側運動(bilateral movement),後肢的肌肉會同時收縮,產生移動的力量,袋鼠及其他齧齒類動物也會使用類似的動作跳躍。

一般的兔子是可以正常跳躍的。圖/Pexels

會倒立的兔子「sauteur d’Alfort

研究團隊觀察到某些馴化的家兔不能正常地用四肢跳耀,而是將後腳抬離地面僅用前腿來行走移動,看起來就像是「倒立」一樣。而這個會「倒立」的兔子,就名為 sauteur d’Alfort(後續簡稱為 sauteur)。相較於野生型(wild-type)兔子的跳躍運動,他們的運動行為很不尋常。他們經常僅使用兩隻前腳來移動,而不是使用四隻腳跳躍。在緩慢運動時,sauteur 兔子會將後肢大幅度地舉起且離開地面,來進行擺動。在高速運動時,牠們的後肢並不會和前肢協調地同步移動,而是後肢會產生偏移。這前肢與後肢不一致、不協調的擺動造成 sauteur 兔子無法有效率進行跳躍運動,因此他們在快速或長距離運動時僅會由前肢支持身體,看起來就像是人類倒立或是耍雜技。

sauteur 兔子的典型姿勢,在長距離或快速移動時會將後肢懸離地面,身體垂直,呈現類似「倒立」的姿勢,並透過前肢交替行走來移動。圖/PLOS Genetics

不但不能正常跳躍,還有盲眼的缺陷

sauteur 兔子除了無法正常跳躍之外,同時擁有視網膜缺陷的問題,牠們的眼睛天生雙盲,並且在出生的第一年就會罹患白內障。研究團隊藉由將公的 sauteur 與母個野生種兔子進行雜交。sauteur 和野兔皆為同型合子[註1]sauteur 為(sam/sam),野生兔子則為紐西蘭白種兔(+/+),並將其產下的後代進行基因比對。進一步地,藉由基因圖譜(genetic mapping)分析,並將 sauteur 兔子與野生型的紐西蘭白兔進行雜交來了解可能突變的基因區域。進而了解之所以發育缺陷,是因為 RORB 基因突變。

視網膜畸形的 sauteur 兔子。圖/PLOS Genetics

倒立兔子的外表型,與基因突變相關

從基因圖譜分析中,發現 sauteur 兔子特別的行為及外表特徵,可能與 RORB 基因有關。RORB 基因為 NR1 核激素受體家族的成員之一,先前已報導 RORB 基因缺陷的老鼠,具有視網膜退化並有運動障礙,走路的型態會像一隻鴨子般。在 RORB 基因的剪切位置(splice site)突變,會影響 RORB 正常剪切。因此,RORB 基因可作為最好的候選名單,來解釋 sauteur 兔子不正常的運動行為,及視網膜缺陷。

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在 RORB 基因的第九個外顯子(exon)的末端有個剪貼位突變,這導致了三個主要的突變異構型(isoform)。圖/PLOS Genetics

RORB 基因無法正常轉錄

僅發現倒立兔子們不正常運動的基因,當然無法滿足研究人員的好奇心。他們進一步想了解的是,RORB 基因剪接位的突變,會對於 sauteur 兔子有什麼樣的影響?

研究團隊藉由 PCR 的方式,將野生型以及 sauteur 兔子脊髓及視網膜的 RORB 序列片段放大,並比較在野生型、sauteur 兔子及野生型和 sauteur 交配後所產生的後代,其體內的 RORB mRNA 片段,藉此可了解 sauteur 兔子 RORB 基因剪接位的突變對於體內生成 mRNA(信使核糖核酸)的影響。從下圖結果可發現野生型的兔子,其 RORB mRNA 不管在脊髓或視網膜都是屬於剪接位點未突變第一型(isoform 1)。不過,若是在 sauteur 兔子的 RORB mRNA,則會同時具有四種異構型(isoform 1 到 isoform 4)。因此可知,在 sauteur 兔子中,大部分的 RORB 是不正常轉錄,這也顯示與 RORB 剪切位點突變有因果關係。

橫軸顯示為不同基因型的兔子,野生型(WT)為+/+,sauteur 為 sam/ sam,而有野生型和 sauteur 雜交的兔子為 +/sam。Retina 為位於視網膜的 mRNA,spinal cord 為位於脊髓的 mRNA。 不同顏色的柱狀圖顯示為不同的 RORB mRNA 異構型。縱軸為相對比例。圖/PLOS Genetics

基因突變讓脊髓中的神經元數目大幅減少

一般來說,RORB 蛋白質會出現在兔子的神經系統,但若是 RORB 基因突變,則會導致在兔子脊髓中產生 RORB 蛋白質的神經元顯著減少。並且,sauteur 兔子在脊髓的不正常轉錄,就是因為 RORB-positive 神經元大幅減少,這個缺陷進一步導致兔子運動異常。

藉由免疫組織化學染色法(immunohistochemistry, IHC)可觀察到,相較於野生種(Wild-type),野生種與 sauteur 雜交,帶有異型合子(+/sam)的兔子後代,可以發現其表達 RORB 的神經元數量明顯下降,少了約 25%。相對地,帶有同型合子(sam/sam) 的 sauteur 兔子則無法偵測到會表現 RORB 的神經元。這顯示高比例 RORB 基因不正常轉錄會導致會表現 RORB 的神經元劇烈減少,且這樣的缺陷會導致 sauteur 兔子有著異常的外表型。

在野生型(Wild-type)的兔子中,可以偵測到許多會表現 RORB 的神經元,+/samsauteur 兔子脊髓中的神經元數目則相對野生型兔子來說減少許多。sam/samsauteur 兔子的脊髓中,則是偵測不到會表現 RORB 的神經元。圖/PLOS Genetics

綜括上述,我們可知造成 sauteur 兔子有如此的外表型,是因為轉錄因子 RORB 基因中第 9 個內插子(intron)的第一個核甘酸(nucleotide)突變。RORB 基因突變不僅倒致兔子無法跳耀,更會使得表現 RORB 的神經元大幅減少,並導致脊髓分化有缺陷,中間神經元異常分化,表達 RORB 的神經元減少,引起四肢失調,轉譯出的蛋白質也會影響脊髓正常運作。除此之外,RORB 基因所突變的核甘酸位置,在 70 個歐亞哺乳類中都是呈現保守性的。此研究結果,也與先前報導 Rorb 老鼠(RORB 基因突變的老鼠)有著退化的視網膜以及像鴨子般走路型態相以佐證。在老鼠的脊髓中,會表現 RORB 的神經元會對於把關內感感覺器(proprioceptive sensors)的資訊相當重要,可以確認突觸前抑制。在兔子的脊髓中也可能有著相似的運作機制,並導致如 sauteur 兔子的特別運動型態。RORB 除了會表現在脊髓,也會表現在腦部的許多區域,例如:主要體感覺皮質區、聽覺皮質區、運動皮質及下視丘等。因此,RORB 於腦部的功能改變於進而影響 sauteur 兔子的運動型態亦是不能被忽視的。

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所以日後,我們看到兔子運動的樣子,可能就不再只是一般的跳躍模式,還可能看到如馬戲團般倒立走路兔子,而造成這種兔子運動方式的改變,是源自於基因變異。

註解

  1. 同型合子:個體內組成基因型的兩個基因相同,如:TT 或 tt。
  • Carneiro, M., Vieillard, J., Andrade, P., Boucher, S., Afonso, S., Blanco-Aguiar, J. A., … & Andersson, L. (2021). A loss-of-function mutation in RORB disrupts saltatorial locomotion in rabbits. PLoS genetics17(3), e1009429.
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