• 作者／顯微觀點
• 本文轉載自顯微觀點《第一張複雜腦圖譜：果蠅連接體》

2024年10月，神經科學的劃時代里程碑，成年雌果蠅完整大腦神經圖譜系列研究，發表在《自然》期刊（Nature）。此圖譜詳盡至果蠅腦中每一條神經的所有分支、每一個突觸的尺寸和型態，這樣的腦神經圖譜稱為「連接體」（connectome）。要繪製完整成熟雌性果蠅連接體，需要辨識近14萬個神經元（神經細胞）與其間的5千萬個突觸（不同神經元的連接處）。

「世上還沒有另一個如此複雜的成年動物全腦連接體。」

馬拉．莫西／普林斯頓大學神經科學研究所長

普林斯頓大學神經科學研究所長馬拉．莫西（Mala Murthy）、神經科學與電腦科學教授承現峻（Sebastian Seung）率領跨國科學團隊建造果蠅連接體雲端平台「FlyWire」，並在《自然》同時發表12篇論文，以《成熟大腦的神經連接圖》（Neuronal wiring diagram of an adult brain.）為旗艦研究，展現果蠅大腦的完整神經迴路，包含8453種神經元的構造與位置，其中4581種為本系列研究的新發現。

連接體開拓腦科學高速公路

有了詳細的腦神經地圖，科學家得以規劃嶄新的神經科學研究路徑，更加直接、詳盡地實驗神經構造與行為之間的關聯。例如，按圖索驥蒐集所有關於果蠅「剎車」動作的神經元，建構完整的動作神經網路，找出過往研究方式所遺漏的因素；或是利用果蠅連接體推論出「觀看」等動作的完整神經活動，捕捉新的神經科學現象。

生物資料科學家更進一步利用此完整連接體搭配演算法建立一個虛擬蠅腦，不僅完全重現神經元線路，更能及時推算各神經訊號的傳輸路徑與功能，模擬果蠅的真實腦內活動。接收初始訊號之後，這個虛擬蠅腦啟動一連串神經訊號，最後以運動神經元控制肢體作為結果，就像活生生的果蠅在對環境刺激進行反應。

讓神經科學換檔加速的果蠅連接體，在「FlyWire」網站向公眾徹底開放。由公眾人力與人工智慧合力打造的龐大資料庫，現在平等地提供研究資源，科學界認為，FlyWire的完整度與開放性將大幅加速人類大腦的解密。

「蠅」來連接體學大躍進

人類大腦含有超過500億個神經元，形成上百兆個突觸，具備了人工智慧還無法達成的認知、思考與創造力。若能理解人腦的基礎運作方式，科學家有機會找到帕金森氏症等退化性腦部疾病的解藥，或是掌握思覺失調症等精神疾病的生理機制。甚至逐漸實現承現峻的科學狂想：以連接體科技上傳記憶與意識，讓人類達到永生。

發展四十年後，連接體學家終於掌握了果蠅大腦，這個器官最寬處不到0.75毫米，渺小如塵埃，其中蘊含的連接體奧秘卻超越過去累積的科學資料。以果蠅連接體完成博士學位的多肯沃（Sven Dorkenwald）比喻，果蠅連接體彷彿是一座茂密森林，神經元猶如樹木，可以透過根系彼此溝通。但在空間比例上，果蠅的某個視神經橫跨全腦連接雙眼，有如一棵紐約的樹木能夠和位在洛杉磯的樹木互通聲息。

相對「頭腦簡單」的線蟲與果蠅幼蟲缺少成年果蠅的複雜行為與反應，成年果蠅卻與人類共享許多認知功能與神經生理反應。例如：辨別同類、劃分地盤/食物、求偶交配等行為，以及時差、酒醉、咖啡因亢奮等特殊生理狀態。

果蠅：當前最佳人腦模擬器

在動物行為領域，果蠅大腦與人類大腦面對許多相似的問題，如何前往目的地、判斷氣味來源、觀察周遭物體的移動，以及複雜的社會性行為，如歌唱求偶、爭奪資源；以及注意力與情緒調節等。從神經科學技術的現實面來看，果蠅大腦也是最適合進行全腦研究的複雜連接體，現有科技僅能對斑馬魚、小鼠的大腦進行分區重建。

「連接體研究需要夠複雜但體積不太大的腦，果蠅正好位在這個甜蜜點上。」

馬拉．莫西

莫西實驗室深入研究果蠅行為，發現果蠅的生存、繁殖行為蘊含複雜的模式。例如，雄果蠅演奏求偶時，會依照雌果蠅與它的距離改變演奏的音量與編曲，並追隨雌果蠅。運用FlyWire，莫西團隊清點雌果蠅中腦關於聽覺的600多個神經元與其突觸，辨認出20種新的神經元，發現其功能網路比過往所知更加複雜。

莫西團隊發現，雌果蠅聽覺迴路中，神經元的回饋訊號可以憑藉音訊特徵進行預測，未來可以據此模型預測真實雌果蠅對「情歌」的回應行為。或許我們深深自豪的音樂品味也刻劃在我們的腦神經細胞之間，只是和我們的連接體一樣，比果蠅的複雜萬倍。

在基因層面，果蠅與人類共享約60%的基因，包括學習、時差反應與唐氏症相關的基因。接近3/4的人類遺傳疾病能在果蠅DNA中找到對應的基因。因此，完整的成年果蠅連接體被視為通往人類大腦奧秘的橋頭堡。

美國太空總署（NASA）在1947年將果蠅送上太空，作為地球生命前往太空環境的實驗品。牠們竟生還返地，為太空人開拓了道路。作為經典模式生物，果蠅相關研究獲得6項諾貝爾獎，生理學、神經科學與行為學領域已累積豐富資料，搭配完整連接體圖譜的跨領域研究，勢必能帶人類深入探索腦宇宙。

本文轉載自顯微觀點

塑膠垃圾早已是全球性的環境難題。除了塑膠製品丟棄成為海廢後，隨波漂流跨越國境影響生態外，大量廢棄物流入海洋、陸地並分解為塑膠微粒，可能隨著食物鏈進入魚貝類，最後再回到餐桌，在在引發健康疑慮。

大腦裡的塑膠湯匙

今年二月，一篇發表於《自然醫學》（Nature Medicine）期刊的研究指出，人體大腦中發現的塑膠微粒量大到相當於一整支塑膠湯匙，且可能與失智症相關，更是引發全球關注。

美國新墨西哥大學藥學系教授馬修・坎彭（Matthew Campen）的研究團隊，以 2016 年和 2024 年的死者器官樣本，分析微塑膠與奈米塑膠（microplastics and nanoplastics, MNPs, 後續統稱為塑膠微粒）在主要器官系統中的相對分布。

過去透過顯微光譜學（visual microscopic spectroscopy methods）已觀察到肺、腸道與胎盤等器官中存在塑膠顆粒，但這些方法多半受限於觀察粒徑大於5微米的塑膠微粒，更細小的奈米塑膠則難以被偵測到。

因此，坎彭團隊結合化學分析與顯微觀察，運用了多種互補的技術，包括熱裂解氣相層析質譜儀（Py-GC/MS）、衰減全反射式傅立葉紅外線光譜儀（ATR–FTIR），以及搭配光學與電子顯微鏡，為分析化學提供「看得見的」證據。

他們證實了人體腎臟、肝臟和大腦中皆存在塑膠微粒，主要成分為聚乙烯（PE），其他聚合物濃度則較少。而和肝臟或腎臟相比，腦組織中的聚乙烯比例更高。以透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy, TEM）觀察到腦中的塑膠微粒呈奈米級碎片狀，尺寸多小於 200 nm，寬度不到 40 nm。

研究團隊在平均年齡 45 至 50 歲的死者腦組織中觀察到，每克腦組織約含 4800 微克的塑膠微粒，佔腦質量的 0.48%；且相較於 2016 年樣本，2024 年的大腦塑膠量增加近 50%。

「這意味著我們大腦的 99.5% 是腦，其他則是塑膠。」坎彭如此說道。

團隊分析失智症患者的腦樣本後發現，塑膠微粒濃度更高，且明顯分布於發炎細胞區域與血管壁沿線。研究推測失智症與塑膠微粒之間可能存在關聯，但尚無法證明因果。因為失智症典型症狀如腦萎縮、血腦障壁受損與清除機制不佳，也可能導致塑膠微粒更易累積、濃度升高。因此，仍需改進分析技術與更大規模的研究，以釐清塑膠微粒對神經健康的真實影響。

調查塑膠微粒的名偵探

要找出肉眼看不見的塑膠微粒，無疑像大海撈針一樣，而這正是顯微鏡技術發揮關鍵作用之處。

顯微鏡是目前辨識塑膠微粒最重要的工具之一。由於塑膠顆粒的尺寸從幾毫米到幾奈米不等，外觀、顏色、透明度差異極大，肉眼觀察幾乎無法分辨。透過顯微鏡，不僅能觀察形態與結構，還能搭配光譜分析，確認化學組成。

光學顯微鏡是最基礎的工具，可快速辨識顏色、大小與形狀。若搭配偏光濾鏡或螢光染劑，可提高透明塑膠的辨識度。這種方法操作簡便、成本低，常用於初步篩選樣本，但解析度受可見光繞射限制（約200 nm），對奈米級塑膠仍力有未逮。

而螢光顯微鏡與共軛焦雷射顯微鏡則能提供更清晰的影像與深度資訊，適合觀察顆粒在細胞或組織內的分布。不過，染劑與天然有機物反應時，仍可能造成誤判。

當需要更高解析度時，便是電子顯微鏡登場的時候。掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy, SEM）能清楚呈現微塑膠表面的粗糙度、裂紋與附著物；若結合能量散射 X 光譜（EDS），還能分析表面元素，確認是否為碳基塑膠。穿透式電子顯微鏡（TEM）則是研究奈米塑膠的關鍵，能觀察到顆粒內部結構與與細胞交互作用的情形。

除此之外，原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）也是研究塑膠微粒的重要工具。它以極細的探針在樣本表面掃描，達到原子級的立體圖像，不僅能觀察顆粒粗糙度，還能分析硬度和附著力，對研究塑膠老化或表面污染吸附特別有用。

另一方面，由於單靠影像無法證明顆粒成分，因此常會結合如微傅立葉紅外光譜（μ-FTIR）或微拉曼光譜顯微鏡（μ-Raman）等光譜分析技術，準確辨認不同聚合物類型。

坎彭團隊的研究正是運用這些技術層層驗證，不同顯微影像共同構成一條完整的證據鏈，塑膠微粒在人體中的分布情形得以現形。

先以偏光顯微鏡觀察、定位組織切片中的「折射性顆粒」，並在肝、腎中見到1–5 µm的桿狀或顆粒狀結構，以及在腦部觀察到小於1 µm的顆粒。

再利用掃描式電子顯微鏡（SEM）搭配能譜分析（EDS）觀察這些「疑似塑膠」的顆粒表面形貌與化學組成，驗證這些顆粒是主要由碳與少量氧構成，而幾乎沒有金屬或矽元素的塑膠。最後使用穿透式電子顯微鏡（TEM）來觀察奈米級的塑膠微粒。

從光學顯微鏡到電子顯微鏡，從紅外光譜到拉曼分析，這些儀器不只完成研究採樣，更是環境真相的揭露者。每一項技術都像是不同層級的偵探工具，拼湊出塑膠在環境與人體之間的行蹤。

參考資料：

• Nihart, A.J., Garcia, M.A., El Hayek, E. et al. Bioaccumulation of microplastics in decedent human brains. (2025). Nature Medicine,31, 1114–1119https://doi.org/10.1038/s41591-024-03453-1
• Kalaronis, D., Ainali, N. M., Evgenidou, E., Kyzas, G. Z., Yang, X., Bikiaris, D. N., & Lambropoulou, D. A. (2022). Microscopic Techniques as Means for the Determination of Microplastics and Nanoplastics in the Aquatic Environment: A Concise Review. Green Analytical Chemistry, 3, 1–54.
• Human brain samples contain an entire spoon’s worth of nanoplastics, study says

延伸閱讀：

• 閃耀動人的小東西 是鑽石還是玻璃？

F 編按：本文編譯自 Live Science

是不是常聽人家講「運動天賦」？這種天賦到底是什麼？運動員哪裡跟我們不一樣？這個問題現在科學家或許可以給你一個答案。近年透過腦科學研究發現，運動員的大腦與普通人的大腦存在顯著差異，這些差異塑造了他們在比賽中的敏捷反應、精確動作及卓越判斷能力。

所以現在運動選手不只比體力，還要比腦力了嗎？這些差異具體差在哪裡？

快速反應：視覺處理能力

在團隊運動如足球或籃球中，快速處理視覺資訊並作出決策對勝負至關重要。一項 2013 年發表於《Scientific Reports》的研究發現，職業運動員比起業餘運動員或一般人更擅長處理動態視覺場景，例如追蹤快速移動的物體。這種能力能夠幫助運動員在瞬間解讀賽場上的複雜資訊，並迅速做出反應。

視覺處理能力的測試還可用於判斷運動員是否適合回歸賽場，例如在傷後復健階段，確保運動員在完全恢復判斷能力之前不會貿然上場。

肌肉記憶：動作的自動化編程

對於體操選手或跳水運動員而言，肌肉記憶是完成複雜動作的關鍵。2023 年《Journal of Neuroscience》的一項研究表示，大腦如何通過訓練快速「壓縮」和「解壓縮」動作資訊，最終將動作序列整合成一個流暢的過程。這種訓練過程使運動員能夠無需刻意思考，便能完美執行複雜動作。

肌肉記憶的形成依賴於大腦皮層神經元的網絡活動，這種神經編程能力也同樣適用於訓練有素的音樂家或舞蹈家。

預測能力：球場上的決策利器

運動員擁有卓越的預測能力，例如棒球擊球手能根據投手的動作，快速判斷球的速度與方向。2022 年發表於《Cerebral Cortex》的研究發現，當擊球手預測投手的投球軌跡時，大腦左腹側顳葉皮質的神經元活動會根據預測結果而改變。

這種高效的預測能力源來於運動員在比賽中，學會透過關聯視覺線索與物體運動軌跡的技能。研究還發現，潛水選手等專業運動員的大腦中與動態運動解讀相關的區域，如上顳溝（STS），比普通人更厚，這也反映了運動訓練對大腦結構的塑造。

平衡與空間感：身體控制的高峰

對體操選手來說，擁有非凡的平衡感與空間感知能力，兩者缺一不可，而這在科學上被稱為「本體感覺」（proprioception）。位於小腦的神經網絡讓運動員能迅速調整身體姿態，即使在空中失誤也能及時修正動作。

然而，當這套「安全網」失靈時，可能導致嚴重後果。如 2020 年東京奧運中，體操選手西蒙·拜爾斯（Simone Biles）因「扭轉失靈」而一度無法控制動作，凸顯了平衡能力在高風險運動中的重要性。

注意力與認知靈活性：多任務處理的關鍵

團隊運動要求運動員能快速在不同思維模式間切換，例如足球選手需在控球時預測對手動作並調整策略。2022 年《國際運動與運動心理學期刊》的一項研究顯示，運動員，特別是參與高強度間歇訓練的選手，擁有更強的認知靈活性和注意力分配能力。

研究也指出，這些能力的提升可能與長期訓練相關，但確切機制仍需進一步研究。

抗衰老的秘密：運動對老年大腦的保護

這些運動訓練對大腦的影響，可不是只有相關區域的提升。運動對大腦健康的影響，可能會持續一生。一個典型例子是加拿大田徑選手奧爾加·科特爾科（Olga Kotelko），她在 95 歲時仍保持驚人的腦部健康，其白質結構完好程度甚至接近比她年輕三十多歲的普通人。科學家認為，持續的運動訓練可能是她保持記憶力與認知敏銳的原因之一。

下一代的訓練策略：腦力與體力並重

隨著運動科學的不斷進步，科學家也開始呼籲教練更注重對年輕運動員的腦部訓練，例如提升記憶力與決策能力。西悉尼大學的運動科學家凱莉·斯蒂爾（Kylie Steel）指出，運動員的身體或許會訓練至極限，但在認知能力上仍擁有巨大的潛力提升。例如，足球訓練中可以鼓勵球員使用非慣用腳進行射門，以提升大腦靈活性，幫助他們在成年後更加出色地應對比賽挑戰。

近年研究讓我們重新認識了體育訓練對人體的深遠影響，運動改變的不僅是肌肉，還包括大腦。從視覺處理到肌肉記憶，再到抗衰老的腦部結構，透過運動與科學的結合，將為未來的運動員開啟全新可能性，也提醒我們，持續鍛煉不僅益於身體，也有助於大腦的健康。