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公果蠅追女友竟被她狠心阻止! 朱麗安的雷射追蹤系統——拜見科學界女力(二)

彭 琬馨
・2016/05/04 ・2630字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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留著一頭長髮,黑色粗框眼鏡,她,是清大生技所博士班學生朱麗安,年紀輕輕已經是第九屆(2016 年)台灣女科學家「孟粹珠獎學金」得主。

初次見面,她與我想像中的「科學家」有段距離。

朱麗安上
台灣女科學家「孟粹珠獎學金」得主朱麗安。圖/吳健雄學術基金會提供

或許因為是學生身分,反而讓提問不再那麼有心理負擔,畢竟每回要在各專家學者前提出笨問題,內心總會先經過一番不小的掙扎(科學領域太高深莫測,不是那個領域專家真的很難搞懂啊)。

所以,故事要從腐敗水果上飛舞的小小果蠅開始。你沒看錯,朱麗安的研究主題就是果蠅。

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或許你內心跟我有一樣的疑惑:在外人眼中,飛來飛去的果蠅能有什麼大學問?對朱麗安來說,這隻小生物的行為和人腦一樣有趣。「其實果蠅分工很精細,這麼小的腦,卻已經有學習跟記憶的功能」。

小小果蠅 大大學問:研究人腦的前驅模式動物

民眾眼裡沒什麼用的果蠅,是科學家研究人腦的重要基礎。

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果蠅。圖/U.S. CDC, public domain

身長只有 2.5 毫米的母果蠅(公果蠅更小),腦內已經有 13 5000 個神經元,雖然與人類超過 1000 億個神經元相比還是小巫見大巫,卻能讓科學家藉此推估人腦的運作方式。到目前為止,科學家已經能透過操控果蠅特定的神經元或基因,來了解這些構造在訊息傳遞過程中如何在果蠅大腦裡運作。此外,果蠅培養成本低,生命週期短(約 60 天左右),對於需要大量數據搜集的實驗類型非常有幫助,並能與目前許多大數據分析做配合運用;目前科學家已經發現,有超過 60% 的人類疾病,能在果蠅基因體上找到同源基因。最重要的,由於果蠅基因容易操控,人類許多遺傳性疾病(如阿茲海默症、帕金森氏症)都可以轉植到果蠅上研究,對於無法直接進行人體實驗的遺傳性疾病來說,是一個很大的進步。

3D 模擬果蠅嗅覺訊息處理過程

「現在我們用果蠅來做實驗的行為主要有求偶跟學習與記憶。」,朱麗安所屬的實驗室是全台灣數一數二、專做果蠅的實驗室。她的指導老師江安世 2007 年發表在知名期刊《細胞》的「果蠅腦內嗅覺神經網路地圖」,把果蠅處理嗅覺訊息過程的最後一個階段——果蠅腦內神經元如何接受訊息、分析解碼各種味道——用 3D 立體影像呈現,研究發表當下在學術界引起不小震撼。

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江安世實驗團隊所建立的果蠅腦內嗅覺神經網路地圖。圖 /取自科技大觀園

清大生物科技研究所教授江世安在研究中發現,小小果蠅光是嗅覺處理就有三道關卡——鼻子嗅覺細胞接觸到氣味分子、腦神經把嗅覺傳到位在鼻子後方的嗅小球、嗅小球再經由軸突投射到蕈狀體的接收區域,由蕈狀體進行分析。

設計雷射追蹤系統 解密果蠅記憶形成

不知道你是不是和我一樣,對於果蠅能如此細緻處理氣味的過程感到驚豔,如果是的話那你可能有所不知,其實果蠅和人類一樣,還可以記住一些事情,特別是怎麼「找對象」。

果蠅求偶有很多個階段,有時會以環繞或追逐等行為接近母果蠅,距離較遠時公果蠅會以振翅發出聲音吸引異性,接近母果蠅後改成單翅(就像是舉手跳舞希望女生看見那樣啦~),更靠近則會以嗅覺或味覺來偵測母果蠅是不是已經交配過。「果蠅的行為其實很精細,不同的神經有不同的行為。」2008 年開始,朱麗安利用自己過去念機械的專長,與動機系博士班學生吳明親、光電所研究員林彥穎,共同開發「雷射追蹤果蠅系統」。這個結合生科、工程、電機的系統,可以讓科學家在自然環境中觀察腦神經如何操控公果蠅行為。

自動追蹤雷射系統(ALTOMS)示意圖
ALTOMS 示意圖。此系統的組成有果蠅競技場、影像捕捉模組、智慧中央控制模組和雷射掃描模組。

看不懂嗎?馬上翻成白話文給你看。

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實驗是這樣設計的:「我們以母果蠅為中心,向外畫 3.5 毫米的圓圈,只要公果蠅進入這個範圍,就用雷射打公果蠅直到他離開為止。」這個「阻止公果蠅找女友」的實驗,雖然聽起來有點殘酷,最後卻獲得不小成果。由於求偶行為屬於果蠅的主動式學習,朱麗安和她的研究團隊發現,用這種方式打果蠅,很快就能形成長期記憶、效果也比較持久(打一小時雷射、隔天還會記得),公果蠅很快就能學會不能太靠近母果蠅,否則會被打;相較於被動式學習(電擊配合味道,訓練果蠅討厭特定氣味)三小時訓練只能維持 24 小時,差異其實很大。經過 6 年的努力,加上實驗室新進成員蕭伯彥的幫忙,這個研究成果最後登上《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

結合不同領域專長 開發實驗新工具

但這其實不是朱麗安第一次開發新工具,早在 2011 年,朱麗安還是清大生科研究所博士班二年級時,就曾與另一組動力機械系學生一同研發處女果蠅自動搜集器,顧名思義就是能自動篩選處女果蠅的機器,並獲得國家新創獎以及國際科技儀器新創獎首獎的肯定。

「我發現我的興趣是結合不同領域的專長,利用新技術開發新工具,希望能在生物研究上,創造新的突破。」目前還是博士班七年級學生的朱麗安,近期正和中研院合作開發超解析顯微鏡,希望能看見果蠅腦中更精細的結構。

旁敲側擊 間接回應社會需求

身為女性在生涯選擇上,難免面臨來自家庭的壓力。「我還是希望自己的研究跟人類生活有關聯」,深奧難懂大概是多數人談起科學的第一印象,大學念機械的朱麗安,半路才「出家」鑽研果蠅,在她眼裡的生物學比較直觀。「科學家透過模式生物了解神經控制行為的機制,過程中也會開發很多新工具,未來有機會可以應用到人類身上」。當然,模式生物離臨床的人體實驗還很遙遠,但科學上每一小步的前進,都是科學家千錘百鍊實驗的結果,有了模式生物,我們要理解複雜的人腦或許就不再是天方夜譚。

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下回在家中看見小小果蠅,可別再只是覺得它惱人了!

文章難易度
彭 琬馨
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一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。

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采采蠅與寄生蟲,以及空氣中的油膩愛情
寒波_96
・2023/04/04 ・4059字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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非洲的采采蠅(tsetse fly)以吸血維生,但是它們也時常是錐蟲的宿主,如果吸食人血,便有機會將錐蟲傳染給人類,引發昏睡病,在非洲導致不少問題。

昆蟲常以費洛蒙作為溝通媒介,采采蠅也不例外。2023 年發表的新研究,找到幾款采采蠅使用的費洛蒙,能促進情慾交流;而且又發現感染錐蟲會改變費洛蒙組成,求偶時還會降低身價。

在非洲體驗大自然,務必注意采采蠅!圖/TripSavvy / Nez Riaz 

昆蟲的氣味語言

舌蠅屬(Glossina)旗下有多個物種統稱「采采蠅」,這項研究著重的是 Glossina morsitans,為求簡便,本文之後直接稱之為「采采蠅」。要注意還有不一樣的其他款采采蠅,本文後面會登場一種。

費洛蒙是生物排放到體外,用於溝通的訊號分子,可謂是昆蟲的化學語言。一如人類的花言巧語或暴言各有巧妙,各種昆蟲使用不同費洛蒙,能達到不同效果。

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從前對采采蠅的費洛蒙也不是一無所知,以前知道有一種化學分子 15,19,23-trimethylheptatriacontane,也叫作 morsilure,被采采蠅當作費洛蒙。此分子是主鏈為 37 個碳鍊長,總共有 40 碳的脂肪酸衍生物,而且含量非常多,5 天大的女生超過 4 mg。

有些費洛蒙輕盈,可以揮發;也有的飄不起來,要直接接觸。40 碳的分子體重太胖,只能直接碰觸,可以說是一種接觸式的油膩情慾。

傳宗接代,迅速而持久

新研究的目標是探討:采采蠅是否存在揮發性費洛蒙,又如何作用。比較效果之前,要先了解采采蠅情慾交流的正常狀況。

把沒有性經驗的一男一女擺在一起,20 組幾乎都迅速合體,在 15 秒內開始啪啪啪(請自行腦補音效);而且平均 do 愛 58.5 分鐘之久,持久力一級棒。

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讓一女一男共處一室,紀錄它們的交配過程。所有沒有性經驗的采采蠅,都在幾分鐘內合體,延續超過 55 分鐘。圖/參考資料1

拿來對照的對象,是常被當作實驗動物的黃果蠅(Drosophila melanogaster)。黃果蠅和采采蠅雖然都叫蠅,但是親戚關係比人和猩猩之差還要遠,不是最合適的比較對象,不過是最方便取得的材料。

黃果蠅平均要等 22 分鐘才男女合體,維持 20 分鐘左右,明顯不如采采蠅對性的渴望。然而,采采蠅的實驗,假如一方換成交配過的女生,原本興致高昂的男生竟然會完全不想 do 愛,判若兩蠅。

總之,采采蠅情慾交流的正常狀態是,由男生向女生求偶,女生很快接受。過程中吸引男生辨識的「女蠅味」是哪些費洛蒙呢?

空氣中充滿愛情的味道

采采蠅的費洛蒙是脂肪酸衍伸物,和果蠅、螞蟻一樣,能用有機溶劑己烷(hexane)分離。

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可是一開始實驗,把接觸采采蠅 10 分鐘的己烷塗在棒棒上,結果不論是有或沒有性經驗的男女,4 類原味樣品對男生都毫無吸引力。

做過實驗都知道,沒反應不能寫論文 💔。所以又把搜集費洛蒙的時間延長到 24 小時,這下就對惹 ❤️!

觀察得知,沒有性經驗的處女原味,能吸引 60% 男生;有性經驗的女生則是 27%;男蠅味對男生依然缺乏吸引力。

把采采蠅身上萃取的氣味,塗在棒棒上,觀察是否會吸引采采蠅。圖/參考資料1

「女蠅味」具體是什麼呢?用氣相層析質譜儀(Gas Chromatography Mass Spectrometry,簡稱 GC-MS)分離可得到 6 種化學物質。

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3 種是脂肪酸:16 碳的棕櫚酸、棕櫚油酸,以及 18 碳的油酸。3 種是脂肪酸加上甲基酯(methyl ester)的衍生物:methyl palmitoleate(MPO)、methyl oleate(MO)、methyl palmitate(MP)。

就算是做這一行的,大部分也會覺得那一串名詞彷彿火星文,反正就是好幾種結構略有不同的油。但是以訊號分子來說,重點不是有多油膩,而是這些分子會啟動哪些神經反應,又影響哪些行為。

費洛蒙有時候化學結構只差一點點,意義完全不同,就像人類講話,「我日常生性活潑,想要多交朋友」和「我日常性生活潑,想要多交朋友」意思就很不一樣。

采采蠅身體外,存在感最明顯的 6 種分子,包括 3 種脂肪酸以及 3 種脂肪酸衍生物。圖/參考資料1

饞她身子的味道,油膩的情慾語言

女蠅味 6 種成分逐一測試,女生們完全不為所動。至於男生,3 款脂肪酸都缺乏吸引力,不過 3 款衍生物都有吸引力,尤其是塗抹 MPO 的棒棒,能吸引 87% 男生,效果最強(有人覺得奇怪,比前述實驗 60% 更高嗎?應該是因為濃度更高,效果更強)。

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費洛蒙有具體的收訊器,訊號應該是透過觸角(antenna)上的感覺受器傳達,因為如果把觸角切除,男生也不會起反應。

為了進一步認識費洛蒙的效果,研究者又將費洛蒙塗在近親物種 Glossina fuscipes 身上。正常時這次的主角 Glossina morsitans 采采蠅男生,對異種女生不會有性趣;但是近親女 MPO 上身後,有 60% 男生會撲上來。

可見單單 MPO 這種化學分子,便對男生有強烈的誘惑力。可是這只是單方面的喜歡,近親女依然對異種男生毫無感覺,會把他們馬上踢開。

感受情慾的神經元

不一樣的費洛蒙,會激發不同感覺神經元,就像把某個開關打開。采采蠅的觸角上有許多微小的感覺零件(sensilla),各自配備不同的受器神經元。被激發的 sensilla 上存在兩款神經元 A 與 B,對不同物質起反應。

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MPO 會刺激 B 神經元,而且分隔一段距離,透過氣流傳送便有效果。由此判斷 MPO 是揮發性作用的費洛蒙。

但是同樣的距離,MO 與 MP 都不起反應。不過縮短到距離 1mm 後,MP 就能刺激 B 神經元,MO 則能同時刺激 A 與 B。這兩款費洛蒙僅管結構類似 MPO,卻要近到快直接接觸才有作用。顯然這種事不能看結構鍵盤辦案,要實測才知道。

測試費洛蒙是否可以透過氣流飄送,只有 MPO 能在比較遠的距離起作用。圖/參考資料1

奇妙的是,這些費洛蒙對近親物種 Glossina fuscipes 的神經元,幾乎都不起作用。因此上述費洛蒙與受器的組合,僅限於 Glossina morsitans 這款采采蠅,和其他物種未必有共通語言,近親即使收到也理解不能。

寄生錐蟲降低身價,采采蠅也是受害者

不少采采蠅體內存在錐蟲,吸血時成為傳播媒介。檢驗發現,錐蟲對采采蠅的影響也非常明顯,會大幅影響求偶選擇。

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采采蠅的求偶是男生提出要求,女生決定是否接受。觀察得知,有或沒有感染的兩男,如果和處女共處一室,女生接受兩者的機率差異不多。但是有或沒有感染的兩女,給男生選擇,男生 100% 挑選沒有感染的女生。

這麼看來,有錐蟲寄生的女生,在男生眼中是比較差的對象,但是不知道男生如何分辨。費洛蒙方面,被寄生的采采蠅又會多出 21 種揮發性小分子,也許有所影響,可惜這些氣味的具體作用仍不清楚。

采采蠅感染錐蟲與否,費洛蒙們明顯有別。圖為氣相層析在不同時間點,陸續分離出的分子,感染錐蟲的采采蠅多出許多種分子。圖/參考資料1

上述結果都是實驗室中的測試。采采蠅在野外活動時,或許大部份候選蠅都是感染錐蟲的不理想對象。野生的采采蠅實際上如何擇偶,也許是另一番光景。不過應該能推測,它們也不喜歡錐蟲。

食慾與情慾的開關一同打開,吃飯,順便do愛?

野生的采采蠅,要自己尋找對象。最容易碰到異性的場合是采采蠅餐廳,也就是被吸血的動物周圍。實際觀察到,采采蠅常常在獵物附近順便情慾交流。

動物散發的氣味分子,就像餐廳飄出的香味,吸引采采蠅前來覓食。有趣的是,獵物排放的 4-methylphenol、1-octen-3-ol 兩種揮發性物質,和采采蠅的揮發性費洛蒙 MPO 使用同一套神經受器。

或許采采蠅去吃飯,開啟食慾的同時,也一同釋放情慾的開關。交配和吃飯是兩回事,如果能一次滿足,也很棒。

如果對氣味在各種生物的角色有興趣,可以閱讀科普書你聞到了嗎?:從人類、動植物到機器,看嗅覺與氣味如何影響生物的愛恨、生死與演化》。

延伸閱讀

參考資料

  1. Ebrahim, S. A., Dweck, H. K., Weiss, B. L., & Carlson, J. R. (2023). A volatile sex attractant of tsetse flies. Science, 379(6633), eade1877.
  2. Chemical notes of tsetse fly mating

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

寒波_96
193 篇文章 ・ 1016 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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「科學家也需要 Art!」持續破解果蠅大腦神經迴路的李奇鴻
研之有物│中央研究院_96
・2022/04/11 ・6084字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/歐宇甜、黃曉君、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

神經科學與視覺

我們怎麼「看到」顏色,「察覺」東西在動?大腦如何產生視覺?中央研究院「研之有物」專訪院內細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻,他是國際知名的神經科學家,過去長期在美國國家衛生院(National Institutes of Health)做研究,2018 年回到中研院貢獻自己所學。李奇鴻的實驗室主要是以果蠅視覺系統為模型,研究神經元如何在發育過程形成複雜的突觸連結,以及神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

李奇鴻是國際知名的神經科學家,研究神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。圖/研之有物

技術帶動神經科學研究

神經系統如何運作?這對以前的科學家來說是黑盒子。由於大腦發生錯誤或出問題時,會直接表現在外在行為上,早期科學家想了解人腦運作機制,只能透過腦部哪裡受傷壞掉或中風等,知道腦部的大概功能區域,但沒辦法進入細胞層次。

「在生物學的發展上,除了需要有智慧的思考,其他都要靠技術去推動。你可能想到一個有趣的題目,但也許要 30 年後,才出現足夠的技術來解決問題。」李奇鴻舉例,從光學顯微鏡、電子顯微鏡、電生理技術、分子生物學到結構生物學發展,每個都在細胞、分子、及系統層次開啟了新的世界。

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隨著顯微技術與遺傳工程日益完備,果蠅成為現今熱門的腦科學研究對象。李奇鴻指出,「果蠅的生長速度快,相較老鼠要幾個月成熟,果蠅只要兩週。果蠅的大腦複雜程度介於人和單細胞生物中間,結構跟人高度相似,成果可應用在人身上。」

因此,近 10 幾年來是神經科學大起飛時代,科學家透過遺傳學方法控制果蠅的神經元活性、觀察行為,藉此了解哪些基因會影響大腦發育和運作,逐漸破解神經迴路的奧祕。

「我在選博士後研究時,想到底要做線蟲、老鼠、魚、果蠅或其他模式生物?最後才選果蠅。回想起來,近年剛好碰到果蠅相關技術蓬勃發展,選果蠅是很正確的決定!」李奇鴻笑道。

李奇鴻引用知名神經科學家 David Marr 的三層假說(tri‐level hypothesis),認為大腦運作有三個層次:

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  1. Computation level(運算):神經系統在做的事,如分辨顏色、觀察東西移動、辨認物體是圓是方、是蘋果或橘子等。
  2. Algorithm level(程序):神經系統的操作方式、程序怎麼做。 
  3. Implementation level(實行):神經系統如何透過神經元、神經網路來達成這個程序。

李奇鴻表示,「過去多數神經科學家都在討論 computation,再探究 algorithm,卻沒辦法解決 implementation 。現在因為具備技術,科學家終於能找出 implementation,再回推上層問題,甚至發現 algorithm 跟原本想的不一樣。」

視網膜感知系統怎麼運算?

關於神經系統的操作方式(Algorithm level),也有因為技術進步而解決爭議的案例。李奇鴻舉例,以前神經科學家在研究視覺系統感受物體運動的機制,曾出現幾種理論,HR 理論認為神經訊號是用乘法,另一派 BL 理論認為是用減法,爭議了很久。

近年科學家發現,原來視網膜感知系統的運算機制是混合的,一共三種,稱為 HR-BL 混合視覺運動偵測器。過去兩派都只對了一半。

關於視網膜感知系統的運算機制,過去 HR 理論和 BL 理論都只猜對其中一種方向(打勾處)。資料來源/Current Biology

Hassenstein-Reichardt(HR)模型:從昆蟲行為研究而來。

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  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,這個信號會被延遲(時間 τ),接著右邊的光感應神經元收到訊號,兩者的訊號會同時到達下游的神經細胞(X),訊號將會相乘,生成運動訊號。
  2. 當有非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,兩個訊號會在不同的時間到達,不會生成運動訊號。

Barlow-Levick(BL)模型:從兔子電生理研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,接著右邊的光感應神經元收到訊號,但它為抑制訊號且會被延遲(時間 τ),左邊的訊號會先到達下游的神經細胞,生成運動訊號。
  2. 當非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,左、右兩個光感應神經元的訊號會在相同時間到達,刺激訊號和抑制訊號互相抵銷,不會生成運動訊號。

持續分析果蠅大腦的神經迴路!

近代電腦的所有運算都能用 and、or、Xor 三個邏輯閘表達,科學家想知道,大腦裡有沒有類似但更高階的神經迴路運作方式?「從感官到行為比較容易觀察和操作,目前在視覺運動方面的神經迴路運作,我們知道的最多。」

李奇鴻近年在做昆蟲視覺與行為研究,發現昆蟲在感受顏色,如綠光和紫外光時,感光細胞的處理方式是先將紫外光跟綠光的強度做比較,把兩個光的強度相減,讓原本兩個訊號變成一個訊號,所謂的「顏色拮抗」。

「這種神經迴路能解析、比較兩個顏色強度的差異性,因為大部分在視覺上最重要的正是對比。拮抗運算模組能在一片訊號裡找出哪裡最強、其他較弱。其他感官機制也一樣,像觸摸物品時有凸出來的部分較重要,聽覺上要找出哪個聲音特別高等,讓最重要的訊號能凸顯出來。」李奇鴻補充道。

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2021 年李奇鴻的團隊首次發現果蠅視覺系統堆疊了多套拮抗運算模組,以達成顏色及空間接受域雙拮抗的效果,成果發表在《Current Biology》。這樣的神經迴路可以比較相鄰的顏色,產生色彩區間對比感。「沒這樣的功能,我們就看不出紅配綠很悲劇了!」李奇鴻笑道。

科學家們正努力鑽研果蠅大腦的神經運算迴路,希望逐步整理出基本運算模組。或許有一天,看似複雜的大腦功能,都可能用基礎的迴路來破解!

李奇鴻實驗室所發現的顏色及空間接受域雙拮抗神經迴路。R1-R6 是吸收頻率範圍較廣的光接收器(輸出刺激訊號),R7 是吸收紫外光的光接收器(輸出抑制訊號),R8 是吸收綠光或藍光的光接收器(輸出刺激訊號)。從 R1-R8 接收光,輸出到神經細胞 Dm8 之後,會形成顏色拮抗效果。此外,相鄰的 Dm8 之間透過特殊的氯離子通道 GluClα 中介,會產生側向抑制作用(Lateral inhibition),形成空間拮抗效果。資料來源/Current Biology

老師是怎麼走上研究大腦神經科學這條路呢?

「我滿晚才走上科學研究的道路。我對電腦有興趣、喜歡寫程式,大學上中國醫藥學院醫學系,家裡也希望我當醫生。不過在實習時,我發現自己對治療病人沒興趣,反而對問題或疾病本身更有興趣。跟幾個老師談過之後,我決定不當醫生,跑去清華大學讀生命科學,後來就到中研院。」

因為有醫學背景,一開始比較想做能立刻解決問題的研究,像是用蛋白質跟毒素的綜合體來治療癌症。但後來了解,如果沒有深刻了解致病機制、沒有鑽進基礎科學研究,很難有突破。

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後來去美國洛克斐勒大學攻讀博士,在洛克斐勒讀書期間,大家常互相交流,對我有很大的啟發。那時我在鑽研結構生物學,希望了解疾病真正的生理過程,曾解開愛滋病病毒跟人體信號傳遞有關的蛋白質結構。

博士畢業前,我接觸到神經科學,感到很有興趣,就去加州大學洛杉磯分校(UCLA)讀博士後,學神經科學裡的發育學,想了解大腦在發育過程是如何用不同分子在細胞間傳遞訊息。那時我待在很大的實驗室,老師不太管學生,要自己想辦法或跟旁邊的人學習,很多人素質都很高,學習環境很好。

之後我進入美國國家衛生院(National Institutes of Health,NIH)開始開實驗室帶自己的團隊,待了 16 年,算是真正進入神經科學領域,直到現在依然在做相關研究。

每個人的人生選擇,都被以前的經歷主導,如果沒有醫學背景,恐怕我不會去學結構生物學或走入大腦神經科學領域。

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老師在美國的研究很順利,那是什麼契機才決定回臺灣呢?回來後是否有不適應之處呢?

「我 26 歲出國,在美國也待 26 年,幾乎完全融入美國生活,實驗室運作得蠻好,連太太也是美國人。但在美國很多年後,內心出現一個很深感覺:我在臺灣待過這麼久,臺灣是我進入科學的起點,也許該回來教教臺灣的子弟。」

剛開始有些想法,曾受邀回臺演講幾次,但沒有下決心。後來出現一個重要轉捩點。中研院分子生物研究所 30 週年慶時邀我回來演講,那時有機會跟歷任所長聊天,這些所長中許多是我過去在中研院碰過的老師。聊了後感觸很深,發現每任所長都要面對分生所的成長或各種問題,每個所長都有獨到的見解和重要貢獻。

我看到分生所運作得很好,覺得非常感動, 內心想:也許我回來能效法他們,也許對中研院細胞與個體生物學研究所的發展能有一點點實質貢獻。

雖然如果待在美國國家衛生院,我也會有這樣一個機會,但還是想帶自己的子弟,把力氣用在自家子弟身上,讓自己的國家和組織進步。我想將在美國國家衛生院學到的經驗,像哪些組織可以運作、哪些不行,嘗試帶回臺灣。

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我很清楚可能碰到的問題,像科學研究會受影響,要重新花幾年時間建立實驗室,但那次契機讓我徹底下定信心。我曾跟廖俊智院長開玩笑,就算不給我錢,我大概也會回來。因為真的覺得這是一個很好的機會,自己能為中研院、為臺灣做些事。畢竟中研院也一直都像我的家!

不過,畢竟過去在美國實驗室和家裡都是講英文,只有打電話給媽媽會說臺灣話,因此, 2018 年剛回臺灣時,國語講得不太流利,臺灣話反而比較流利。

老師覺得美國的研究環境有哪些優點?希望將什麼樣的新觀念、新風氣帶進臺灣呢?

「國外最大特點是學術交流很頻繁,雖然國內也蠻頻繁,但他們交流層次更深入。也就是說,我跟參與的老師交流之後,常能改變想法、做事方法或方向,且是正向的改變。」

國外老師受邀演講,會很積極在幾小時內一直談,在一天中完全沉浸其中,不單講出自己在做的東西,也要求聽眾給予批評或建議等,彼此有深度交流,我每次參加都覺得收穫很多並產生合作可能性。

國內我的經驗是,演講結束後比較缺乏機會跟其他老師深度溝通,領完演講費就屁股拍拍坐高鐵回來。這可能是國內的慣有模式,我覺得需要改變。現在所內我也要求大家,既然花錢請老師來,一定要做深度交流,請對方給予建議。

重要的不是形式或邀到諾貝爾獎得主之類,而是在演講結束後、這個人走出我的辦公室、這些人離開後,對我做的事或做事方法,是不是有什麼實質的改變?在其他科學家交談中是否能得到啟發,改變自己的思考或做實驗方式?或聽聽別人告訴你,你還有哪些沒想到的地方?

分享,也是一種很重要的技術,在交流過程中,當我們可以把一件事講清楚,自己也會茅塞頓開,知道問題在哪。

現在所裡的計畫是把老師分成各種不同興趣小組,組內做交流或有跨組活動。其餘像寫計劃、申請經費、經營實驗室或撰寫並發表文章,這些是基本技術問題。

做任何工作,一個是基本的核心技術,如果沒有「技」就無法生存;另一個是 「藝」(Art) , 可以驅動你一直做下去。訓練人才時,除了培養技術,還要訓練 Art。

老師提到工作上需要 Art,科學家的 Art 是指哪些部分?可以說明得更詳細嗎?

「我想在科學裡面,Art 有很多面向。例如,你怎麼選擇一個問題,怎麼找切入點,如何把一個大問題拆成幾個可攻破的部分,一步步去解開,這是一種 Art。尤其在選擇問題和切入點上,要有獨特的見解或洞燭先機才能成功。」

科學家必須創造有用的知識。什麼叫有用的知識呢?就是聽到學到後,會改變你想事情的方向或做事的方法。很多東西都可以研究,只要科學方法夠嚴謹,都可以得到一些知識。但到底要選擇什麼題目呢?什麼叫做有趣的問題呢?評斷這些就是科學的 Art 。

如果說在人類前面是一個黑暗深淵,知識像光照亮我們前面的路,科學家就像站在最前面,要知道如何踏出那一步?怎麼踏出去?這是 Art。

當科學家看到一個問題、問題成形後,最重要的關鍵是如何選擇一個核心問題去解決。就像玩拼圖時,要放下去最核心、最重要的那塊拼圖。

我回到臺灣後,覺得這裡的研究環境很好,儀器不輸人家,老師很優秀。但可能我們多半只是關注自己的研究,沒有花時間認真去思考,最重要的一塊拼圖在哪裡?當我們有更深度的交流,才能找到最核心的那一塊,做出最重要的貢獻。

李奇鴻說,科學家必須創造有用的知識,也就是會改變做事和想事情方法的知識。至於要選擇創造什麼知識,需要用 Art 來判斷。圖/研之有物

老師在國外的實驗室時是如何帶領研究團隊呢?對年輕的科學家有什麼樣的期待嗎?

「在碩士、博士訓練中最重要的關鍵,是從「讀」科學變成真正「做」科學。我們攤開一本教科書,看到裡面講這個、那個,只是讀人家的科學。即使去念了原始文章,仍然是看著科學怎麼被別人做出來而已。」

自己真正做研究才知道,教科書上每一頁、每一句,背後都可能有數千篇文章支持,那時才知道自己很渺小,懂得謙虛,了解自己一生能做的有限。

所以,每次要跨出一小步,要想該怎麼跨最有效率、得到最大效果。我認為,在碩士班或博士班,最重要的就是了解這種感覺。

有些學生可能覺得,反正我很渺小,世界這麼大,即使做一輩子,即使最成功的科學家,也不過是得到教科書上面的一句話而已,我怎麼做都沒關係啊。 但我們必須帶領學生了解,這個計畫不是老師叫你做才做,而是讓學生覺得這個計畫是自己的,有前進和發展的空間,就像自己的小孩,必須負責。

以前在碩、博士班,剛開始學會技術、實驗做出結果,或能像人家一樣發表文章,會很高興,但這很短暫,真正的轉捩點是我知道有什麼事,是全世界任何人都不知道的那種驕傲,才是真的能支持很久的。我還記得在某一天做到早上五點,從實驗室走出來,知道有個東西全世界只有我知道的喜悅!

當學生曾感受這種發現真實的快樂,你不用規定他早上幾點來、晚上幾點走,他自己就有動機做。

當一個人想這東西應該是怎樣,想辦法做實驗證明出來時,那真的是一種快樂。我想,這是任何其他行業都沒辦法比較的!

學生是要培養成未來的科學家、獨當一面,應該讓他自己走。即使在你看得到的地方,也要讓他自己走出來,而且,他自己想到的,比你告訴他來的有用。

其實,我當老師最興奮時,是學生告訴我那些我不知道的事,會覺得很喜悅,學生想到我沒想到的東西,表示他們有進步,比我還厲害,這很棒!

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研之有物│中央研究院_96
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科研遇欺凌,女性為何忍?
鄭國威 Portnoy_96
・2022/02/24 ・5255字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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女性在科學界到底會遇到什麼樣的挑戰?身為一個僅在科學界外圍當個知識小販的男性,我著實只能想像。在看完《科學家的模樣》(Picture A Scientist)這部紀錄片之後,發現事情比我想像的更誇張。

《科學家的模樣》是 2020 年才推出的新紀錄片,主要以三位女性科學家的職涯故事為梗概,搭配其他相關人等的訪談,與數據佐證。若要說精彩度,並不如《虎王》或是《Tinder 大騙徒》這麼高潮迭起,也不會有像看完《我的章魚老師》或《海洋陰謀》後感受的巨大衝擊,算是四平八穩的紀錄片,但是傳達出了非常重要的訊息,讓我反思再反思。

三位女性科學家分別是南希·霍普金斯(Nancy Hopkins)、蕾雪兒·柏克斯(Raychelle Burks)、與 珍·威倫布林(Jane Willenbring)。在開頭,霍普金斯就說「我們只是想當科學家,我們不想被誤會在惹麻煩或搞社會運動。」另外一位(我無法辨別的)女性科學家的聲音說:「有一套劇本,全是男人寫的。男人都懂其中的規則,他們知道劇情怎麼演,但我一直覺得我沒有劇本。」

紀錄片《科學家的模樣》(Picture A Scientist)(2020)。圖/IMDb

為 MIT 女科學家發聲——南希.霍普金斯

南希.霍普金斯。圖/維基百科

霍普金斯在麻省理工學院擔任了 40 年的生物學教授,已經退休。10 歲時,母親罹患癌症,讓她深受打擊,但也種下了她研究癌症的遠因。霍普金斯在大三時修了一門生物學進階課,當時詹姆士·華生(James Watson)來課堂上演講,讓她大開眼界,決心全力投入研究遺傳生物學,並加入華生的研究室。華生是 DNA 雙螺旋結構發現者之一,他與法蘭西斯·克里克(Francis Crick)是合作夥伴,兩人共同獲頒 1962 年 諾貝爾生理醫學獎。克里克某天來研究室拜訪,順便演講,而霍普金斯心目中的天才華生,曾形容克里克是他心目中的天才,讓霍普金斯對他的來訪期待不已。

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那天,她一個人坐在研究室,克里克打開門快步走進來,把雙手往霍普金斯的胸部摸上去,還一派輕鬆地問「妳在忙什麼?」一邊看著她的筆記本。霍普金斯當下整個呆了,不知道如何反應,只是坐直然後解釋自己在做的研究。她在紀錄片中表示,那個年代沒有性騷擾的概念,她不想「大驚小怪」讓詹姆士或法蘭西斯感到丟臉,於是裝作什麼都沒發生。

後來她應徵上麻省理工學院的助理教授,但博士後研究生卻當她是技工而非老師,隨意拿她調製的試劑來用,她得排隊才能用自己的設備。但她不想讓人覺得自己不禮貌、難搞,一直忍氣吞聲,有時發表論文,也沒有獲得功績。

終究,霍普金斯升上了副教授,但當她需要更大的空間做實驗、放設備,卻申請不到,明明自己使用的空間不比別的教授大,卻獨獨遭質疑管理不了那麼大的空間。霍普金斯只好趁夜拿著捲尺去量每一個教授擁有的空間大小,以科學家的方式用證據說話,但負責管理的人卻看都不看。一貫溫和的她苦笑說,就在那刻,她成為了一位激進的行動者,儘管不是原本所願。

她決定上書給 MIT 的校長,在那之前,她忐忑地將信給另一位女性生物學教授 Mary-Lou Pardue 看,想聽聽她的看法,但同時擔心 Pardue 會覺得自己是個失敗者,只因能力不足才抱怨東抱怨西。但 Pardue 嚴肅地讀完信,大表認同,更願意共同署名、與霍普金斯一起去見校長。這時霍普金斯才驚覺,如果她們兩個人都有同樣的遭遇或感受,那會不會……其實其他女性科學家也都……只是不敢說?於是她們一一與每一位 MIT 的女性科學家接觸,她們聚在一起互相分享,終於將這頭「房間裡的大象」指了出來。

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是一名媽媽也是一位科學家——珍.威倫布林

珍.威倫布林的介紹。YouTube

威倫布林是加州大學聖地牙哥分校斯克里普斯海洋研究所的副教授,有一個女兒。她在大學時讀的是地質學,對人類造成的環境變遷深感興趣,一心想到南極調查氣溫上升對冰層的影響,她到波士頓大學念碩士,成為大衛·馬尚(David Marchant)這位冰河研究大師的學生。對當時的威倫布林來說,就像是夢想成真。

他們組成四人一組的南極研究團隊,成員有馬尚、馬尚的弟弟傑弗瑞(Jeffrey Marchant)、緬因大學研究生亞當·路易斯(Adam Lewis),以及威倫布林。然而一到南極洲考察現場,大衛馬尚就態度丕變,稱呼威倫布林是「蕩婦」(slut)、「妓女」(whore)、「婊子」(cunt)。同時大衛自以為好笑地編造起威倫布林的淫蕩故事,對她訕笑調侃,甚至當威倫布林在外上廁所的時候,向她丟石頭,讓她不敢在白天喝水、也不敢去上廁所,這也使她到現在都為膀胱問題困擾。

在觀察地質時,大衛假意要威倫布林靠近他,鑑定鏟子上的灰,卻把尖銳的灰吹進她眼睛,還故作輕鬆地說「糟糕,有點過頭了」。更誇張的是,大衛在威倫布林爬陡坡時,從上往下把她推下去。儘管遭遇那麼多事,威倫布林決定忍氣吞聲,當作什麼事都沒有,只因為她的職涯還被大衛·馬尚掌握在手中。

威倫布林對地質研究有多辛苦,有心理準備,但對於因性別而遭受的欺凌卻沒有。大衛馬尚曾痛罵她是蠢貨、在科學界沒有未來,這些話語讓她深受打擊,想過不再走學術之路,但因為她不想讓人覺得自己示弱,因此威倫布林沒有對外說過這些事。直到某天她帶女兒去研究室,讓女兒看自己身為一個科學家的樣貌,才想起尚未了結的這件事。當天晚上便根據「教育法修正案第九條」,寫了投訴書給波士頓大學。而這已經是事件發生後的第 17 年,她也已經拿到終身職,才有餘裕這麼做。

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女性黑人化學家——蕾雪兒.柏克斯

蕾雪兒.柏克斯。圖/維基百科

柏克斯是德州奧斯汀聖愛德華大學化學系的助理教授,與另外兩位白人女性科學家不同,她是黑人,留著辮髮,喜歡穿著「瓦坎達萬歲」(Wakanda Forever)或神力女超人的 T 恤。她正在設計一種便宜快速的檢驗方式,可以快速檢查水質,知道自己的用水是否含污染物、有毒物。她在高中以前,從來沒任何老師鼓勵過她,認為她是科學家的料,但她就是對科學很有熱情,認真上課,總是從流行文化裡頭尋找科學家典範,像是 Star Trek 裡的女性黑人通訊官烏瑚拉;可能是因為在真實世界裡,幾乎沒有像她一樣的黑人女性化學家。

根據紀錄片,2016 年在 STEM 領域取得博士學位的美國公民中,47.9% 是白人男性,25.7% 是白人女性,這比例差異很大,但差更多的是黑人女性,只有 2.2%,我沒找到最新的統計數字,但比例大概不會改變太多。

柏克斯看起來帥氣又特立獨行,但那只是表面。她在辦公室辦公,卻被認為是清潔工;在會議上提出建議,卻常常被無視,同樣的建議由白人男性提出,就被當作一回事,她只能翻白眼。身為科學家,她很能接受批評,但卻常常收到措辭非常不當的 Email。如果她表達憤怒,又擔心會被貼上「憤怒黑人女性」的刻板印象標籤,所以得花更多時間思考如何回應。耗費在這些事情上的時間,讓柏克斯專注研究的時間少了,而這些煩惱對非黑人、非女性的同儕來說是不存在的。

對柏克斯來說,參加化學界學術會議總是不太舒服,因為講者中女性比例少於 1/4,有色人種女性的比率更低於 1/25。柏克斯是她任職的大學自然科學學院裡,首位準終身職黑人女性,難免感到格格不入。她一方面覺得自己是不被重視的隱形人,另一個方面又是最顯眼的人,時時刻刻感受到「你怎麼會在這裡」的質疑眼光。

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科學界的性別不平等是事實

事實上,很多女性在大學進入了 STEM 領域,但卻在後續階段選擇離開,其中一個因素是跟性別有關的差別待遇。在紀錄片中,社會心理學家 Corinne Moss-Racusin 想知道科學界是否存在性別偏見,讓她驚訝的是竟然沒人研究過,於是決定要知道答案。研究方法很簡單:設計兩份應徵「實驗室經理」這一職位的履歷表,兩份履歷之間唯一的差異是應徵者的性別,一個叫做 John,一個叫做 Jennifer。她在美國全國召集了理工學術領域的參與者,將 John 的履歷寄給一半的人,Jennifer 的履歷寄給另一半的人,跟他們說這是真實的履歷,然後請他們給出評價。結果出乎她意料的「一致」。在每個項目中,女性履歷的評價都比較差,包括能力、受雇的可能性、該給多少薪資等。

(延伸閱讀:〈科學界的性別歧視〉)

劍橋大學社會心理學家 Mahzarin Banaji 則透過「內隱連結測驗」探究這種差別對待的根源。內隱聯結測驗,簡單來說,就是兩個東西只要比較常一起出現,我們就能更迅速地連結兩者。在紀錄片中,她重現了這個測驗,邀請一群人看著螢幕上出現的字詞跟名字,迅速將字詞跟名字分類為左邊的男性/事業(科學相關)或右邊的女性/家庭,結果大家反應都很快,平均能在 600 毫秒左右答題。但當換成男性/家庭,女性/事業這樣的配對時,大家的反應都慢了許多,平均時間約為 1,000 多毫秒,而且錯誤率驟升。這種偏見透過社會互動與大眾媒體深深植入每一個人,包括同為女性科學家的 Banaji 自己。

圖/Pexels

講到這裡,大概只說了影片不到 1/4 的內容,因此推薦大家去看完整部紀錄片。這三位主角雖然都曾在職涯中感受過無力、無法融入科學社群、遭遇性別差異對待跟欺負,吞忍沈默許久,但她們後來都做出了改變。

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霍普金斯與 MIT 的女性教授們史無前例地帶動了全美國學界的性別調查;威倫布林的投訴讓大衛·馬尚付出了代價;柏克斯則以身作則,成為科學傳播者,如今是全美國知名度最高的女性化學家之一,透過 YouTube、Podcast、電視讓更多女孩看到「像自己」的科學家典範,讓科學家的樣子「從一頭亂髮的白人男性變成一頭亂髮的黑人女性」。

當然,若要說科學界在過去 50 年在性別平等上沒有進步,肯定是錯誤的。但進步還是不夠快,這不只辜負了女性,也辜負了科學。

根據紀錄片,學界裡 50% 的女性遭遇過性騷擾,而且這個比例多年來都沒有太大改變。衛斯理學院院長寶拉·強森(Paula Johnson)認為學術制度讓研究生或助理極度仰賴教授提供資金跟研究計畫,形成性騷擾的溫床。

然而生物人類學博士凱薩琳·克蘭西(Kathryn Clancy)強調學界中的性騷擾絕大多數不是性挑逗或脅迫,這些事件引人注意,就像露在海面上的冰山頂端;但更常發生且總被忽略的,有如海面下的冰山,其實是「性別排擠」、「沒被納入 email」、「沒被邀請參加合作」、「被叫得很難聽」、「性粗口或動作」、「敵意」、「得不到提拔」、「面對邀約的壓力」、「對身體的評斷」、「破壞設備」等。

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就如三位女性科學家主角,許多人遭遇這些事情時,傾向於認為不該大驚小怪,不然會被認為難搞或是能力差才愛嚷嚷。但若不發聲,又會被臆測為同意、接受,或跟男性玩起潛規則。

接受事實,反思事實

看完本片之後,我更能設身處地去想像「要是這些事發生在自己身上」,有多麼進退不得,絕非「有問題就講啊!」這樣的態度能處理的。雖然這些事情不只發生在科學界,但我認為科學界是最不該讓這種狀況繼續下去的場域,不是表率不表率的問題,而是這會直接危及到科學產出的可信度。

可喜的是,這部紀錄片正因為有所改變而誕生,代表房間裡的大象再也不能被忽略。我過往也採訪過許多位台灣的女性科學家,與她們討論過這類問題,我收到的反饋大多是輕描淡寫,不覺得這問題嚴重,頂多表示自己一邊帶孩子一邊做研究是蠻辛苦的。我想一方面可能是我採訪對象的抽樣偏差,另一方面是我沒能取得受訪者足夠的信任吧。

有另一種說法認為 STEM 領域女性比例那麼少,不見得是 STEM 領域把女性往外推,而是因為女性在 STEM 以外的領域獲得了更顯著的成就,反而把女性拉走了。更進一步,要檢討在 STEM 外的領域,男性的弱勢。我認為這與改善 STEM 領域自己對性別差異化對待的敏感度倒不衝突,畢竟目標並不是要達到 50/50 的絕對政治正確比例,而是糾正不該存在的問題。

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如果你是女性或性少數科研工作者,曾經在學術職場上遭遇性別差異對待,且願意分享這段經歷,歡迎你跟泛科聯繫。我們會認真聆聽。

圖/GIPHY

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附註

我注意到,這部紀錄片由 Heising-Simons 基金會Sloan 基金會贊助拍攝,因此也去看了這兩個基金會的網站,裡頭有列出他們贊助的其他科學傳播計畫,看起來都不錯,我肯定會繼續關注。如果你是科學家或是學生,也可以參考他們獎學金的方案喔。

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鄭國威 Portnoy_96
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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。現為泛科知識公司的知識長。