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【Gene思書齋】該如何在道德部落間建立對話、凝聚共識?

Gene Ng_96
・2016/03/15 ・4495字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 581 ・九年級

 

有許多公共議題的辯論,真的很叫人傷透腦筋,例如該廢死嗎?該開放移民嗎?該抽富人重稅作重分配嗎?同性戀婚姻該合法嗎?墮胎該合法嗎?該限制發展來保護環境嗎?鄉民的正義,在這些議題的討論中,常常是不缺席的。就算是理性的討論,正反方都能提出有理的論據,在教育中不太強調思辯的亞洲社會,尤其令人難以抉擇,所以乾脆憑感覺,或者不理會而去小確幸了……

可是問題不會在大家都在小確幸時就自動解決,於是該自暴自棄地說,反正就鬼島嘛!其實,只要一天沒有足夠多的人來公民參考地理性思辯,我們就只能坐等權益被即得利益者一步步地剝削下去,因為愚民,是當權者最愛的奴隷。

可是理性的討論,有多難呢?在太陽花學運期間,因為支持或幹譙的不同立場,就讓我不少朋友,在臉書上狂刪朋友!很多被刪的,還不止是臉友,而是現實中真的認識的人。有些朋友在政治上的立場和我相反,看了火大,也讓我取消追蹤好幾位朋友,據說因為不爽我的立場,取消追蹤我或刪除朋友的,也有十幾人了吧~

有本好書《好人總是自以為是:政治與宗教如何將我們四分五裂》(The Righteous Mind: Why Good People are Divided by Politics and Religion),就是在探討大家對公共議題,為何會爭得面紅耳赤(請參見〈好人真的總是自以為是?〉)。《好人總是自以為是》作者強納森‧海德特(Jonathan Haidt)指出,許多心理學和神經科學的研究顯示,我們的許多道德判斷,是直覺先來,策略推理後到的。

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海德特提出柏拉圖(Πλάτων,約公元前427-前347)、哲斐遜(Thomas Jefferson,1743-1826)和休姆(David Hume,1711-1776)的主張,柏拉圖認為理性是主人,哲斐遜認為理性和感性是平等共治的,休姆認為理性是熱情的僕人。他提出許多研究證據顯示休姆可能才是對的。他把心智比喻作象和騎象人,指出心智好比騎象人(控制式歷程)騎在大象(自動化歷程)上。

騎象人逐步演化為服侍大象。我們的道德判斷有強烈的直覺,理由是事後努力建構的。因為騎象人是服侍大象的,所以他指出,想要在道德和政治議題上說服別人,要先和大象對話。海德特舉出大量的心理學和神經科學研究來說明,為何是直覺先來,策略推理後到。

《好人總是自以為是》是一本給了我許多啟發的好書,我寫書評介紹好書有兩三百本了,有本讓我見到朋友就大力推薦的好書,其實並不多。但是,《好人總是自以為是》是我認為,如果今天只想讀一本嚴肅的書,就讀這一本的好書!

無獨有偶,今年中也有本用心理學、神經科學與道德哲學來談道德的一本書,是哈佛心理學家約書亞‧格林(Joshua Greene)的《道德部落:道德爭議無處不在,該如何建立對話、凝聚共識?》(Moral Tribes: Emotion, Reason, and the Gap Between Us and Them),書中也指出,我們的大腦像是雙模式相機,配有自動模式及手動模式。自動模式指的是我們的道德情感機制,大腦從演化、文化及個人經驗形塑出我們的情感系統,讓我們得以用直覺自動並有效地解決日常事務;思考能力則如同大腦的手動模式,透過理性的運作,我們的想法也更多元、更具彈性。

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《道德部落》 指出,成為社會動物需要自動運作的情感機制,以自我融入社群中,但同樣的情感機制,也將我們變成部落動物,促使我們(Us)對抗非我族類(Them)。我族與他族之間,往往存在相異的價值隔閡,「我們是對的,你們是錯的」,此一信念深植所有人心中,促使我們在面對各種政治議題時,習於對抗非我族類,有時使用語言,有時用肢體暴力,極端份子甚至是用槍炮炸彈,必定要攻擊對方,至死方休。

台灣人對這點應該非常熟悉,泛藍也好,泛綠也好,藍綠的鄉民都只看到和放大對方缺點,對自己人的過失當作不存在,言語甚至肢體霸凌是家當便飯。不是因為台灣人素質低,是因為我們身為人而演化來的情感機制在放肆!

格林在《道德部落》中用東西南北四個部落來作比喻,最常提到的北方和南方部落,就像美國的自由派和保守派。我們大腦的設計,能幫助我們適應部落群體生活,和同我族類合作相處,並對抗非我族類。但現代資訊社會將世界上不同群體全塞進一個共同的空間,尤其是在網路上,這樣前所未有的契機,激化了各群體的價值衝突。

我們人類上百萬年間,絕大部分人天天見到的都是自己認識的人,除了少數宅到爆的人,我們一般上天天都會碰見陌生人,文明社會能夠讓陌生人間不發生衝突甚至協作,仰賴的是許多法律和制度的建立,可是法律和制度要如何讓大部分人滿意呢?當世界愈來愈小,區分不同群體的道德分野愈來愈突出,我們就愈來愈容易困惑。從抗議租稅法規、墮胎、同志婚姻到全球暖化,不同文化背景形成了不同的道德常識。面對不同的道德常識標準,能不能找到所謂的共識?

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格林帶領我們追溯道德的起源,並探索了現代社會價值衝突的現況,他指出我和我群的關係而建立的道德直覺,已經不適合現今的複雜的社會狀況了,當我群和他群同時存在,面對複雜多元的現代社會,並且要共享分配資源時,他主張我們需要手動模式的理性操作,才能超越部落情感, 以設立實用的思考路徑,建立一個適用於全球的道德方案,幫助我們解決分歧問題。

既然我們要放下道德直覺而進入手動模式,那我們應該要如何面對、處理道德爭議呢?格林認為,實效主義(Utilitarianism)是個好方法,因為實效主義的思維模式,就是經過最理性的算計的。

格林,在《道德部落》中,極力為實效主義辯護,實效主義(Utilitarianism),在《好人總是自以為是》中譯作效益論,在別的書中,有時候譯作功利主義。提倡追求「最大幸福」(Maximum Happiness),認為實用即至善的理論,相信決定行為適當與否的標準在於其結果的實用程度。在哈佛政治哲學家桑德爾(Michael Sandel)著名的「正義」課中,他用電車問題來讓學生討論,其中一個是電車剎車失靈,要撞上鐵軌上的五個不知情的工人,另一邊的鐵軌只有一個工人,如果變換軌道犧牲一人來保住五條人命,大家能接受嗎?如果是從天橋上推一胖子下去呢?

實效主義最令人感冒的是功利的算計,而且在看「正義」課程,或讀《正義:一場思辨之旅》(Justice: What’s the Right Thing to Do)時,會有種實效主義被桑德爾駁到的感覺,因為桑德爾舉例說,如果羅馬時代,大家都認為把基督徒丟到競技場去餵獅子老虎會感到快樂,那樣就算道德了嗎?(請參見〈一場思辨之旅的正義〉

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實效主義不僅被那樣批評,《好人總是自以為是》還指出,效益論(就是實效主義)的鼻祖美國哲學家邊沁(Jeremy Bentham,1748-1832)是個亞斯伯格症患者,而開創義務論的德國哲學家康德(Immanuel Kant,1724-1804)終生恪守書齋,海德特認為效益論和義務論都是單一受體型的道德觀,如果把道德比喻作味覺的話。

《好人總是自以為是》的原文出版在《道德部落》之前,後者書中有討論到《好人總是自以為是》,只是在後者中照原文書文直譯作《正義之心》。格林和海德特也曾共同撰寫過一篇評論論文(Greene J, Haidt J. Trends Cogn Sci. 2002 Dec 1;6(12):517-523.)。然而,《道德部落》卻認為實效主義是一種深度的實用主義!格林認為,實效主義其實是被長期誤解和汙名化。例如有人推論出實效主義者會支持奴隸制度,因為奴隸制的益效最大。可是格林指出,會那樣想是完全誤解實效主義,以為財富就等同快樂!可是奴隸制實際上雖然能為主人累積財富,但卻製造出更多不快樂的人,所以這個攻擊是無的放矢!

《道德部落》並非要我們成為一個完全的實效主義者,而是建議我們何時該相信我們的直覺,何時又該理性思考,而什麼樣的思考又能讓我們跨越分歧,向共識邁進。他提出六大原則,首先,在個人生活中,該信任道德直覺,可是在面對我群和他群的道德爭議時,應切換到手動模式!再來,權利不是用來論證的,而是用來結束論證的,當我們達到道德進步時,權利能作為盾牌來保護,但我們永遠不知道哪一項權利比另一項優勢。

接著,格林主張,我們我們該把焦點放在事實上,並要求別人也這麼作!有些政策並沒有必要急著爭論成效,因為連最基本的事實都還沒有。共和黨在九月中的初選辯論,在美國知識份子界引起了軒然大波,因為那些競爭總統候選人寶座的共和黨人,在台上無視事實而畫唬爛的地步,已經是到了幾乎全都是黑白講、練肖話的地步,彷彿他們來自另一個星球!

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《道德部落》和《好人總是自以為是》兩本好書作者,雖然極力探討道德上如何分解分歧和尋求共識,可是在書中都不諱言他們極不認同共和黨,格林大剌剌地表示他是自由派,而海德特雖然認為自己從自由派往中間靠了,也理解了一些保守派的想法,但是仍強調他反對共和黨!再怎麼想在道德上如何分解分歧和尋求共識,都不能容忍邪惡吧?台灣或馬來西亞選出了一個爛人當國家元首,搞砸的是一個國家,可是美國選出了爛人,搞砸的可是全世界啊!

原則四是要當心有偏私的公平,因為我們會有意無意地選擇對自己有利的方式然後宣稱其公平。原則五是運用共通貨幣,簡單來說就是用科學的知識,來尋找最客觀的方案。最後,他提議我們在有餘力的情況下,也要試圖改善他人的生活!

雖然《道德部落》和《好人總是自以為是》的評論差不多,但我個人覺得《道德部落》讀起來的趣味性稍遜《好人總是自以為是》。可是《道德部落》在第十一章花了近半章來討論《好人總是自以為是》,卻讓我拍案叫好!前述提到格林是自由派,他認為海德特主張自由派和保守派該互相理解,但他在關於理性、手動模式在道德心理學上扮演的角色,和海德特的見解相異。他認為即使對手不邪惡,也不見得他們的主張是正確的!他不認同海德特主張自由派道德味覺狹隘,就是不認為自由派在道德上有缺陷。

從《道德部落》中可知,保守派反而才是心胸狹隘的一群人,成天只顧及自己的利益和部落歸屬,無法接受多元的觀點。也就是說,與其說保守派道德味覺較廣,還不如說他們完全接受自己部落的公平、忠誠、權威和神聖,可是不管他群的死活!可是自由派的道德味覺不僅沒有損壞,反而是更精細地包容多元,完全認同我群而排斥他群的保守派,只會在複雜的世界中造成更大的衝突和對立,並無法促成更大的善!我認為,保守派充其量只能達到最大的偽善!

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他也反對自由意志主義,指出深度的實用主義者不會是自由意志主義者,因為他不相信真正的公平是存在的,有些人包括他自己,還有我自己,出生時就因為家庭背景比一些人佔了些優勢!如果不是我父母那麼勤快能幹,我不會有機會在高等教育上比別人更有優勢,所以我也不相信該完全放任,因為有時候跑得比較遠,不是因為跑得比較快,是因為出發點出別人遠!因為怎麼能把一個人的財富多寡完全歸因成是個人的努力而一點一滴都不該捨予?

《道德部落》和《好人總是自以為是》是這個混亂的時代的兩盞明燈!值得所有關心公民議題的朋友花心思好好閱讀思考,咀嚼其中博大精深的細緻精髓!

本文原刊登於閱讀‧最前線【GENE思書軒】,並同步刊登於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 32 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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AI 可以設計散熱,但誰敢讓它出貨?林唯耕談算力背後的物理現實
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/08/20 ・2819字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 高柏科技 合作,泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時,曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏,那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓,引來眾多師生抗議。

「從此以後,我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中,帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言:在理論模型中,氨是太空熱控系統的理想介質;但在現實的辦公大樓裡,它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯,但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險,以及必須為後果負責的工程師。

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高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ,曾任職於美國 OAO 工程部熱流組,深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球,他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心:當晶片運算速度無止境攀升,那股伴隨而生的熱,究竟該往哪裡去?

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗,彷彿進步毫無邊界。然而,每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護。在物理現實面前,再動聽的發表會敘事也必須低頭。

晶片會發熱、材料會疲勞老化,一旦設備過熱,系統便會降頻保護 / 圖片:envato

回顧個人電腦發展早期,晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後,鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級,其實更像是對空間的極限勒索:晶片功率翻倍,發熱源的面積卻沒變大,機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出,散熱設計的核心只有三要素:功率、熱源面積與空間限制。他舉例,在標準的 1U 機箱中,若發熱面積約為三十乘三十毫米,氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數,而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於,風扇轉速提升的背後,是噪音、電力損耗與空間占用。

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因此,「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫,而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱,卻也將新的挑戰帶入機房:漏液風險、流道堵塞、材料相容性,以及維運時的難度。工程的進步,本質上鮮少是徹底消滅問題,更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的,不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人,是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中,沒有空氣能讓風扇製造對流;受光面溫度破百度,陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射,以及熱管與環路型熱管(LHP)來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱,冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力:在他設定的特定條件下,實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能;但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變,移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦(kW)。他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此,太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度,偏好無馬達幫浦的被動式設計;但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度,往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒:技術是否「先進」,與它是否「適合」當下的場景,始終是兩回事。

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他強調「每秒」的觀念,因為散熱談的是動態流動速率,而非靜態的冷卻魔法。/圖片:envato

好論文,為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」,而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作,還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據,在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時,也曾遇過實驗數據無法複製,或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠,而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝,高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」,每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作,並指派專業人才在過程中持續微調、校正,確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測,但由於儀器預設以「水」校正,換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算,卻發現缺乏重複性,數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面,改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證,才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號,而在於那段不夠優雅的挫折:假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻,企業需要的不只是會算數的人才,而是能洞察研究何時「走鐘」,並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

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林唯耕坦言,過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」,進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽,卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計,若無法穩定生產或贏得客戶信任,也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案,誰來負責出貨?

訪談尾聲,主持人國威提出了一個時代難題:假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計,企業該選擇全面擁抱 AI 的速度,還是保留緩慢但穩定的工程驗證,以規避潛在的失效風險?

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是:兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案;但工程師仍須實作原型,進行嚴苛的性能與可靠度測試,最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺,而是基於一項事實:AI 的資料庫裡,通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節,且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代,最稀缺的未必是熟練下指令(Prompt)的人,而是具備這種能力的人:能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來,並且願意為最終的量產品質負起責任。

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大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中,雲端是由龐大的機房架構而成,裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張,都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值,就是不讓這筆物理帳單,被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

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渺小如塵埃的果蠅大腦,藏著解開人類記憶與意識之謎的鑰匙
顯微觀點_96
・2026/03/20 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

FlyWire 果蠅大腦50條大型神經元圖譜

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。

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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。

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果蠅(Drosophila melanogaster)側面特寫
果蠅(Drosophila melanogaster)。圖片來源:André Karwath / Wikimedia Commons(CC BY-SA 2.5)

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。

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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。

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顯微觀點_96
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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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為期刊拍張封面 顯微鏡下的科學魔法
顯微觀點_96
・2024/05/27 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

希爾思使用VS120拍攝,小鼠大腦矢狀切口上的染色圖像。圖片來源:EVIDENT|Olympus官網

「我開始拍攝美麗的影像是出於興趣,因為我喜歡神經科學圖像藝術性的一面。」

史蒂芬妮.希爾思(Stephanie Shiers)是美國德州達拉斯大學的認知神經科學家,她拍攝的顯微鏡影像曾被選作多本期刊的封面,包括《神經科學雜誌》 (The Journal of Neuroscience)、《科學轉化醫學》 (Science Translational Medicine)等。要怎麼做才能讓自己拍攝的作品登上期刊封面呢?

希爾思在 2019 年取得認知和神經科學博士學位,目前從事疼痛研究,以移植捐贈者的神經組織探索慢性疼痛的臨床前機制和治療方法。

最驕傲的時刻——影像獲選期刊封面

希爾思攻讀博士期間,當第一篇論文獲得刊登且拍攝的照片一同被選為封面發表時,是她最引以為傲的時刻。她表示,第一篇論文被發表本身已經很令人興奮,當時並未預期會獲選封面,「因為我只是基於我對神經科學藝術的熱愛,而拍攝漂亮的圖片」。

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事實上,論文中所有影像都使用 40 倍物鏡拍攝,但她後來決定使用 100 倍物鏡拍攝,以捕捉一些漂亮的影像,加以觀察。

「我能看到所有的樹突和軸突初始段,這看起來令人震撼!」當希爾思與她的指導教授分享時,教授鼓勵她投稿期刊封面,同時提交論文。

希爾思表示,在攻讀博士學位時,面對周遭的同行都非常專業,自己曾感到無所適從。然而,當成功的數據和封面影像出現時,過去辛勤的工作和壓力都值得了。

歷經徬徨 受科學魔法吸引踏上研究路

對於自己選擇踏入神經科學研究,並繼續攻讀博士、成為科學家,希爾思坦承自己也曾經歷徬徨。「因為不知道自己想做什麼」,希爾思大學時曾選了三個主修、一個副修。

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原想攻讀醫學院的希爾思,在接受緊急救護技術(EMT)訓練時,意識到自己不想當醫師。因此她又選了神經科學和歷史專業,因為她自認可能喜歡人文學科、可能想成為律師。

直到完成學士學位後希爾思仍不清楚自己的職涯方向。但當她加入校內實驗室時,發現自己「真的很喜歡」,進而申請進入加州大學戴維斯分校的 NeuroMab 研究機構(UC Davis/NIH NeuroMab facility),從事免疫組織化學的工作。

在這份工作中,希爾思研究進行免疫組織化學染色、抗體驗證,在顯微鏡下觀察「肉眼」看不見的東西。這時她意識到「科學是最我們所擁有,最接近魔法的東西」,也因此確認了職業道路——走上學術研究之路。

而現在對希爾思來說,最難忘的時刻莫過於帶領在實驗室掙扎的學生領略科學的奇妙。

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曾經有一名學生未受太多訓練,因此希爾思帶著她完成染色工作、教她操作共軛焦顯微鏡;而當學生第一次看到顯微鏡下的影像時,露出驚訝的表情。 「看到別人也能體驗到科學的神奇,真是太好了!」希爾思這麼說道。

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圖片來源:擷自《Science Translational Medicine vol. 13, issue 595》封面

超敏通道

圖像顯示小鼠背根神經節表現瞬態受體蛋白 5 (TRPC5,紅色)編碼瞬時受體電位規範 5(TRPC5,紅色)、抑鈣基因相關胜肽(CGRP,綠色)、P2X3 受體(藍色)和神經絲蛋白 200(青色)的基因。

希爾思為〈Transient Receptor Potential Canonical 5 Mediates Inflammatory Mechanical and Spontaneous Pain in Mice.〉的共同作者。

本篇論文主要探討,多種原因引起疼痛超敏反應,其中 TRPC5 的活化增加了囓齒動物對疼痛的敏感性,而 TRPC5 通道也在人類感覺神經元中表現,因此研究認為 TRPC5 抑制劑可能可有效減輕患者的疼痛超敏反應。

拍科學藝術照 封面也可以很抽象

對於如何拍出「封面等級」的科學藝術照,希爾思也給出幾點建議。首先,她強調擁有適合的儀器至關重要,以降低信噪比和提升影像品質。

此外,研究者必須接受更多基礎訓練。她表示,過去自己雖操作過很多次顯微鏡,但主要使用明視野照明觀察。直到開始博士課程後學習神經解剖學、蛋白質定位等知識,使用免疫螢光染色最適當的卻是使用暗視野照明。因此持續接受培訓,了解如何正確使用顯微鏡也是非常重要的。

希爾思也建議,在實驗數據收集階段,就可預先規劃影像拍攝;一邊構思論文中需要使用的圖像和材料,如果材料和研究內容一致,就當場拍攝解析度更高的影像。

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她也鼓勵研究者不斷嘗試新事物,例如使用不同染劑(明視野病理染色劑、鈣染色劑等)與顯微鏡搭配,將更容易拍攝出引人注目的影像。

希爾思鼓勵研究者盡可能地投稿封面影像,並強調封面不必與數據收集所用的影像完全相同;甚至許多期刊封面的圖片可以是抽象的、不一定要和照片一樣真實。

物種特異性表達

以原位雜合技術(in situ hybridization,左)和空間轉錄(Spatial Transcriptomics,右)並置的人類背根神經節,用於描述感覺神經元轉錄譜的特徵。

痛覺受器是專門的感覺神經元,存在於背根神經節(DRG)和三叉神經節中,對生成最終疼痛感知的神經元信號至關重要。

希爾思為〈Spatial transcriptomics of dorsal root ganglia identifies molecular signatures of human nociceptors.〉的第二作者。

本篇研究試圖為人類疼痛受器生成等效訊息,利用空間轉錄數據識別痛覺受器的轉錄組特徵,並藉以識別物種間差異和潛在的藥物靶點。

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圖片來源:擷自《Science Translational Medicine (vol. 14, issue 632》封面 
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圖片來源:擷自《The Journal of Neuroscience vol. 38, issue 33》封面

圖像為患有神經性疼痛的小鼠內側前額皮質神經元,紅色為 PV 陽性細胞小白蛋白陽性中間神經元(紅色)與軸突初始段標記(Ankyrin-G,綠色)和核標記(DAPI,藍色)的共同標記。

希爾思為〈Neuropathic Pain Creates an Enduring Prefrontal Cortex Dysfunction Corrected by the Type II Diabetic Drug Metformin But Not by Gabapentin〉的第一作者。

認知障礙是神經性疼痛的共病。本篇研究使用原治療糖尿病的藥物二甲雙胍,治療神經疼痛 7 天後出現逆轉,包括功能和解剖學出現變化,顯示該藥物或可老藥新用於治療神經性疼痛及其認知合併症。

參考資料

  1. https://www.olympus-lifescience.com/en/discovery/behind-the-lens-dr-stephanie-shiers-creates-cover-worthy-neuroscience-art/
  2. Sadler, Katelyn E et al. “Transient receptor potential canonical 5 mediates inflammatory mechanical and spontaneous pain in mice.” Science translational medicine vol. 13,595 (2021).
  3. Tavares-Ferreira, Diana et al. “Spatial transcriptomics of dorsal root ganglia identifies molecular signatures of human nociceptors.” Science translational medicine vol. 14,632 (2022).
  4. Shiers, Stephanie et al. “Neuropathic Pain Creates an Enduring Prefrontal Cortex Dysfunction Corrected by the Type II Diabetic Drug Metformin But Not by Gabapentin.” The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience vol. 38,33 (2018).

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