腦宇宙的美麗境地──江安世教授的探索之旅

Ø 昆蟲學與腦科學的偶遇：
江安世教授攻讀博士時期師事於指導教授Coby Schal的研究室，在潛移默化之中被Schal對昆蟲的熱愛、對科學研究的細心與謹慎所影響。1992年，在美國學成歸國的江安世教授回到台灣教書。在清華教書之餘，江安世教授仍醉心於研究。為了能精進研究成果，費時兩年，於2001年調配出FocusClearTM試劑。使蟑螂腦組織細胞的立體分布在顯微鏡下一目了然。
而透過FocusClearTM，江安世教授發現某種胎生蟑螂跟人類一樣擁有控制記憶形成的麩胺酸受器。這發現讓江教授不禁產生了疑問：昆蟲是否也像擁有像人一樣的記憶呢？

Ø 腦科學．無國界：從清華到冷泉港實驗室：
為了解開心中的疑惑，江安世教授於2001年進入美國冷泉港實驗室與果蠅記憶基因大師Tim Tully合作。合作期間，江安世教授也不吝分享FocusClearTM技術，此試劑的出現頓時轟動整個冷泉港實驗室，產出許多合作研究。
在冷泉港實驗室六個月的時日中，江安世教授看見探索大腦的無限可能性以及重要性。於是下定決心以此作為志業，並在2004年在國立清華大學創立腦科學研究中心。
在冷泉港的經驗中，江安世教授體認到先進的技術不斷推陳出新，稍不留意便會被學界淘汰。所以由江安世教授坐鎮的腦科學研究中心自成立以來，不停地突破、挑戰新的課題，讓身處核心外的台灣也能躋身於世界的尖端。

Ø 藉由FlyCircuit與國際的無私分享
腦科學研究中心與國家高速網路與計算中心在2011年發表全球首創高解析果蠅神經影像資料庫「FlyCircuit」。全世界的研究人員可以在網路上瀏覽三維神經影像，並將影像上傳並進行分析。在這10年中不斷發展顯微及分析技術，試圖找出解析度更高的畫面讓世界上所有投注心力的研究人員能有更穩健的基礎。

圖片說明：
1.江安世教授與Coby Schal、師母合照
2.江安世教授與其國外學者友人
3.江教授的研究成果FlyCircuit登上《Current Biology》2011/01期刊封面
4.2008年江安世教授受華生博士邀請至他家作客
5.『果蠅全腦神經網絡圖譜』，被美國《紐約時報》認為這是解碼人類大腦的起始。

以下是清大腦科學研究中心的三大關鍵觀測技術：

→ 螢光標定：為了研究細胞內不同分子，開發具螢光訊號的化學染劑或螢光蛋白，能使觀察者在看深層的細胞時不會被淺層的細胞所干擾。江安世教授在中研院物理所研究員胡宇光的幫助下修飾自發性閃爍螢光分子的結構，使觀察的組織深度提升了數十倍。

→ 超解析顯微鏡：腦科學研究中心為了能達到「更快速、大體積、高解析」的需求，2019年江安世教授與中央研究院應用科學研究中心副研究員陳壁彰合作發明透化層光定位顯微鏡，建構出針對透明化樣品最佳化的超解析顯微鏡。

→ FocusClearTM：受到水母、蚜蟲的啟發，江安世教授前後僅花兩年的時間便成功調配FocusClearTM試劑。由於此試劑可以使組織透明，FocusClearTM的問世因此成為推動腦科學的關鍵技術，使所有過往2D成像能回溯生物體既有的三度空間。


為什麼是果蠅腦？
果蠅能大量培養於實驗室中的特性成為建構人腦需累積必要的基礎知識以及技術的練習素材，且已廣泛成為生物學界研究的基礎實驗對象。若能成功觀察每個細胞間所構成的連接網絡以及每一網絡的功能，便能成為解開人類大腦運作秘密的第一步。

圖片說明：
1.使用領先全球發明觀測單分子於大組織分布的超解析顯微鏡下的果蠅腦神經
2.超解析顯微鏡模型圖（由陳壁彰研究員提供）
3.有無使用澄清液與使用不同溶劑之比較
4.發明全球第一個水性組織澄清技術FocusClearTM，建構全球第一個3D數位化果蠅全腦神經網路圖譜
5.實驗使用的紅眼的黑腹果蠅(Drosophila melanogaster )

大腦社會：「Fire together, wire together」的神經系統
我們可以將大腦想像成是總共有一千億名成員的複雜社會，我們有意識、無意識的行為都是由我們的大腦控制，所有神經細胞各司其職，扮演既重要又不重要的角色。
大腦決策過程雖然是投票制，但並非所有細胞都票票等值，不同事件，不同細胞有不同權力成為追求效率的機制。而為了能快速傳遞訊息，總共約有1023個交會點中，任兩個成員大約僅需4-5個成員就可以傳送資訊產生連結。
正是因為尊重決策結果彼此互補以及有效率的溝通，大腦才能和諧地運作，並形成共同的意識使我們的日常得以成為日常。


做中學，悟出人生哲理：
對江安世教授來說，腦科學不僅僅是知識的汲取管道，更是開釋自己人生的修行路途。江教授觀察到大腦就像是人類社會的縮影，人類就像是細胞一樣，在這地球上扮演微小，又很重要的角色，每個個體都有他的價值，扮演不同的角色為社會做出貢獻。但人類社會與大腦的差別在於，正是因為利基於「尊重與欣賞」，大腦中的細胞才能和平共處。所以隨著年紀漸長、對腦科學更深入的認識，江安世教授在不知不覺中被腦科學磨平稜角，成為一位謙虛的人。
江安世教授相信上天是公平的，每個人都有各自的強項與弱項，因此每個個體都有他的價值。在認識腦科學的過程中也漸漸開始懂得欣賞與他不一樣的人。成為能為自己感到驕傲，又為自己僅是浩瀚宇宙中的一粟而感到謙虛的文人雅士。
「If you want to go fast, go alone.
If you want to go far, go together.
If you want to go far and fast, go synaptically as the brain.」


成為獨特的個體──江教授給同學們的一段話：
「 萬物靜觀皆自得，四時佳興與人同。
意思是，春夏秋冬的改變，你仔細去觀察，各式各樣的事情都一樣。換句話說，每個時節都有它特殊的地方，冬天也是可以很美麗的，不是只有春天而已。這句話的意思對我來說是這樣的，對每一個個體，他都有他的各種特殊性。
我鼓勵每個人找到自己的最愛，不僅是找到自己最愛的人，也要找到自己最愛的事，進而找到自己獨特的價值。將自己擅長、使自己感到快樂的事物優化到最有價值。成為一個自己喜歡而尊重的人。
希望每個學生不要浪費上天給他的才華，即便遇到失敗也不要感到迷茫。失敗是指引嶄新路途的起點，重要的是自己曾經全力以赴地走過。在我自己過往努力中就發現，要去學別人很難，但是要比自己的昨天更好一點，每個人都可以做得到，如果每天，在自己喜歡的事情，都比昨天來得更好一點點。也許三十天內你看不到差別，三、四十年你就會是頂尖的專家了。
每個人的前途本來就不一樣，需要靠自己到處探索、經歷過失敗，才能夠收穫屬於自己那非比尋常的成就感。這些我覺得每一個人都做到，在自己喜歡的事情上，活一個不後悔的人生。」

在科幻片《露西》中，我們看到女主角在身為一般人時僅使用了10%的腦力，而在吸收大量CPH4，漸漸將腦力開發至100%，作出許多讓人感到不可思議的事情，也讓我們不禁好奇我們的大腦是否也能有這麼大的發展空間。然而這完全不是事實，也沒有任何研究可以支撐這項論述。

雖然我們的確有許多可以發展及學習的空間，但實際上人類的大腦是無時無刻100%不停歇地運轉著，即便人類處於休息狀態，大腦運轉所需的能量是一天攝取熱量的20%。而從尚未成像的MRI（功能性磁振造影術）中我們可以觀測出雖然只有特定區域有顯著的血流量，但其實所有腦區都在工作，整顆腦的血流量每一刻都在變化。機器偵測到的訊號非常複雜，得經過繁複的計算過程才能辨識出這些測量到的訊號，進而造影出我們看到的腦部血流狀況。

另外我們也能從腦波圖中發現神經細胞無時無刻都在成群地發出脈衝，而有趣的是，當我們越精神渙散，電場的震盪越慢；反之，越集中精神專注學習，電場可能每秒變化70次。而這樣的脈衝是神經細胞自動自發，同步產生脈衝，產生出大腦中的背景雜訊。所以，與其將大腦想像成透天厝，只有在使用時才會開房間能源，不如將它想像成燈火通明的雄偉宮殿，每個房間無時無刻都有事情要做。

雖然我們無法做到電影中「100%」的大腦開發，但我們可以透過一些方式讓我們的大腦運作得更完善，甚至儲存空間變得更大。在幼兒時期，為了要快速吸收新知以適應生活環境，我們的大腦突觸與神經細胞的連結會過度旺盛。到了青春期，這些過多的突觸會逐漸受到修剪，只有常用的連結才會留存下來。由此可知，突觸連結會因為長期使用而刺激細胞製造出結構分子，使得該突觸更穩定、更有效率；反之，不用的連結則會被視為累贅，因此凋零、遭到淘汰，為大腦節省更多能量、運行的過程更有效率。但這並不代表經歷過青春期的人大腦便因此固定不再有任何改變，相反的，如果我們持續探索新知、持續學習，大腦也會跟著變大、建立新的突觸。由此可知，大腦可以呈現出個人成長的歷程，也透過這樣的機制使我們成為自己的形狀、成為獨特的個體。

人類的大腦總共有兩個半球，由胼胝體連結來傳遞資訊。左腦控制右半身的知覺，而右腦則負責控制左半身的知覺，使人類可以協調地做所有事情。而這樣的「合作關係」再加上1960年代的實驗結果才會讓眾人有「理性的左腦、感性的右腦」這樣的錯覺。

1960年代的癲癇專家為了解決癲癇病患特定腦區過度放電，進而影響腦部其他區域，所以切斷癲癇病患連接左右腦的胼胝體，在當時是一個蔚為風潮的手術方式。羅傑．斯佩里（Roger Sperry）和麥可．加桑尼加（Michael Gazzaniga）兩位科學家發現到切斷胼胝體之後癲癇的情況改善許多，同時腦功能也並未因為這項手術而有太大的損傷，而開始研究「裂腦」（也就是斷開來的腦半球）的運作方式。在實驗過程中他們發現因為語言中樞在左腦，所以當物品擺放在病人的右視野，病人可以明確說出物品的名稱；然而當把物品放置在左視野，病人卻無法將名稱說出口。

更離奇的是：裂腦病人的兩個腦半球出現衝突，有個病人試圖用右手穿褲子，左手卻不斷出手制止。甚至還有病人用左手觸摸自己的太太，右手卻揮出一記右鈎拳打在太太臉上。當時的科學家興奮極了！這就像是大腦中住著兩個靈魂一樣，從裂腦手術中意外發現左右腦有不同處理資訊的方式並由中間的胼胝體連結。斯佩里因此贏得1981年的諾貝爾生醫獎，進而開啟了「腦側化」的研究，也就是我們常聽到的：

l 左腦處理語言、邏輯、右半側的身體活動、右視野視覺
l 右腦處理書寫、情緒、空間概念、左半側的身體活動、左視野視覺

而這樣的實驗結果也對成為一筆商機，像是「幼兒右腦開發」的學習課程、透過問答得出「你是左腦人還是右腦人」的結論，直接把人格特質歸咎於既定的腦半球等。

但實際上21世紀初科學家通過核磁共振掃描儀對人腦的掃描的實驗發現：給予一般受試者不同的創意課題，有不同的腦區會有明顯的活動，有時是左腦，有時是右腦，甚至小腦、杏仁核都有可能會參與。所以比起將左右腦比喻為各司其職，彼此互補的老夫老妻，大腦的分工單位更應該以細胞做為一個單位，彼此不間斷的交流、整合。

以前面提及的「語言」做為例子，左腦的確控制著語言中樞，但是右腦也控制著語言音律，經由不同腦區之間的資訊交換才能與人正常溝通。儘管的確有些基本運作網路會集中在單一個腦半球，但是只要有胼胝體連接著，左右腦就是一個完整的單位，和睦相處，永遠保持最佳的溝通狀態，不斷地將資訊分開處理、整合，才能形成我們現有的意識。

您是否聽過由於男性與女性的腦結構不同，而產生的二元對立行為模式的論述？例如：男性的數理能力較好，所以適合當工程師、以解剖結果而言女性的左右腦連接的比較好，所以女性通常較能「全面性思考」，而男性死板固執。但事實上，大腦是一個極其複雜的器官，以目前對大腦的理解，科學並不完整了解大腦每個區域、每個構造的差異有什麼意義。

進而在解讀數據之前，我們必須先了解實驗過程、數據所代表的意義。以「男人的空間思考能力較強」為例，的確，平均而言男性在心像旋轉實驗中表現較女性佳──但是這樣的說法只對「群體」成立，不能代表個人。而且實驗結果的平均差異很小，男女組的組內差異比組間差異還大。意即，就認知功能來說，任意兩個生理男性之間的差異可能比某位男性和某位女性之間的差距大。但即使性別間產生了差異，我們也必須了解到大腦的可塑性極高，無時無刻都在變動，只要經過訓練，先天差異便會漸漸消失。

我們可以想像大腦是一條「x+y=10」的等式，在x與y不設限為整數的條件之下，解答可以是無限多解。結構以及路徑雖有差異，但卻能得出一樣的結論。因此，雖然我們會經過解剖後發現男性與女性的思考路徑會因為賀爾蒙的關係而有所差異，但這並不能代表能力的優越以及限制。因為無論X或Y的值為多少，無論男女都可以得出答案為「10」的結論。因此，大腦的性別差異不是刻板印象的佐證，而是「條條大路通羅馬」的最佳證據！這顯示了我們的大腦不會消除自身的可能性，而是社會框架的刻板印象窄化了我們的想像。

以大腦的解剖結果來說，大腦構造確實可以看出性別之間的差異。所以就此衍伸出一個大哉問：除了生理上的性別差異之外，是什麼樣的因素造就出我們大腦的思想、性別認同、認知？跨性別科學家Karrisa Sanbonmatsu窮極一生都在探索究竟是什麼樣的因素型塑成現在的她，尤其當他人發現她是跨性別女性時，他們總會拋出一問題「妳怎麼知道妳是女性？」。於是她與其研究團隊使用一百萬台電腦模擬出胚胎細胞在形成新生兒時DNA所做的數千個決策，包含胚胎細胞應為血液細胞／心臟細胞／腦細胞。於是他們發現胎兒在子宮的期間，大腦的性別分化會比生殖器官的性別分化還要晚，這兩個過程可以相互獨立地進行，影響認知、性別認同、性取向，以及精神疾病的風險方面等決定。這些差異在早期發育的過程中就已經被編程到大腦中了！

因此，判定一個人的性別，不能以XX、XY、XXX染色體做為簡單的分化，我們可以想像大腦是一幅繁複的拼布鑲嵌圖，每個人的大腦都由一些顯示女性的拼布和一些代表男性的拼布組合而成。所以性別絕不是一個兩個非黑即白的極端值，而是在光譜上流動的無限可能。

透過基因轉植的方式，將螢光蛋白轉植近果蠅的多巴胺迴路，因此一旦果蠅的多巴胺神經網路被激發螢光蛋白便會顯色。

睡眠乍看之下是一件極其矛盾的事，人類有近1/3的時間身體就這樣毫無防備地躺在一處，承受著被狩獵者狩獵的風險，同時我們在這段時間也無法學習、做其他有意義的事。既然有如此多不安全的因素存在，人類為什麼還需要睡眠呢？為解答此問題，我們必須先了解人類的睡眠周期。睡眠周期總共分成四個階段，分別是快速動眼期（簡稱REM）、淺睡、深一點的淺睡、熟睡期，如此一來才能夠在不同的階段活化特定的區域，以便儲存記憶的內容。

在剛入眠時會漸漸進入熟睡期，進入深度睡眠。在這期間，負責生成記憶的海馬迴特別活躍，會將白天發生的事件重新播放，形成新的記憶儲存在大腦皮質區。但其實大腦處理資訊需要批次處理，因此會再回到REM睡眠階段，抑制海馬迴，並活化自己的神經網路，讓它有機會適應新資訊睡眠，而這樣的周期會重複四到五次，使白天的資訊不斷地記到大腦中。

然而為何過了一整晚後，我們並不能像錄音筆一樣完整地回放昨日發生的種種呢？這是因為遺忘是大腦的主動機制，對大腦來說，並不是所有經歷都是值得記住的。在學習的過程中會增加神經細胞的突觸，佔據有限空間、消耗能量，使突觸傳遞效率下降，因此在這些經歷將按照重要程度被篩選劃分。所以大腦會將多餘的突觸連結破壞，使大腦清醒後能恢復到「最佳狀態」。我們了解到睡眠對新的神經連接及修整舊有神經連接的過程發揮了核心作用。但是丹麥生物學家麥肯．尼德佳德（Maiken Nedergaard）提出了質疑，認為「假如睡眠只能幫你記住你昨天的所作所為，那麼它不會如此重要。」

因此，尼德佳德在2013年發現睡眠與大腦排毒有著密不可分的關係！我們了解大腦中的蛋白質廢物的積累將會導致神經退化疾病，例如：阿茲海默症、帕金森氏症等。人體有淋巴系統為我們身體處理廢物，但是對於大腦，淋巴系統卻鞭長莫及，因此大腦發展自己獨特的廢物清除系統──膠淋巴系統。而唯有在睡覺的時候膠淋巴液才能透過增大的神經元間隙，輕易地穿過腦組織，帶走堆積在大腦中的廢氣蛋白質與其他生化廢物，以避免有毒的物質長期堆積於腦中形成永久性的傷害。

但這並不代表有睡就好，相反地，睡眠債是不能補回來的，平日一小時的睡眠債需要四天充足休息才足以彌補。由此可知，若是平日習慣熬夜，希望能透過周末補眠可說是天方夜譚。因此透過規律的睡眠、健康的睡眠習慣，才能培養出健康的大腦。

以下是一夜好眠的「2要2不要」訣竅，祝大家夜夜好眠！
「第1不」：盡量避免3C產品對大腦的刺激
「第2不」：少吃大量宵夜及飲酒
「第1要」：準備一個舒服的睡眠環境
「第2要」：盡量把床只留給睡眠使用

從果蠅實驗看學習

清大腦科學研究中心其中一項主要的研究便是果蠅的學習與記憶。將氣味配合電擊對果蠅懲罰性學習中，研究員發現懲罰性學習雖然剛學完分數很高，但是過不久便會遺忘。但是氣味配合糖水這樣的獎勵性學習，雖然剛學完的分數不如懲罰性學習高，但一次就學會，並且會形成長期記憶。

套用在人類身上也會有類似的效用，但卻有很大一部分的差異──好奇心。雖然獎勵對於學習的動力相較於懲罰會有較為顯著的效用，然而學習者同時也會認知到「有獎勵才需遵守守則」。雖然獎勵能短暫刺激個體的積極性，但卻無法讓各體培養出長期的行為習慣，也無法讓個體的表現變得更好。

學習在神經系統上擁有固定的地位和價值，好奇心便是價值的開發應用。好奇心使人類不需生活在特定環境，同時也能追求概念理解。科學家發現進食與學習都會影響到多巴胺迴路的活化，但相較進食，好奇心可以使「獲得知識」的過程及結果本身就是一種報酬。這也是為什麼我們獲得漂亮的數學公式、理論所得到的成就感遠大於口腹之慾的滿足。
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少壯不努力，只要肯學習，老大不一定徒傷悲

大腦無時無刻都在變化，但變化不一定是朝正面的方向做改變。隨著年紀漸長，大腦也會隨之萎縮，神經細胞之間也會開始減少突觸之間的連結。科學家透過MRI發現65歲以上的長者和20歲的青年在從事同一件事情時會用到不同腦區，雖然不知道為何會如此，但目前科學家把「老年人腦部活化的腦部範圍較大」此現象解釋為「補償效應」。認為因為年長者大腦的運作效率和處理速度會衰退，所以就連應付簡單的任務也必須活化較大的區域。

年長者動用更多腦區來解決問題也並非完全是缺點。由於長者有更多的人生經驗以及過往的記憶。因此相較於年輕人，長者更可以將新知與記憶做連結，使得長者所累積的經驗足以和年輕人的效率和速度平分秋色。也因此「活到老，學到老」是值得且有益的，不管年紀多大，大腦是否萎縮，只要是健康的老化，大腦的可塑性依然可以將學習的狀態調整到最佳模式。即便有些事情確實是一生僅有一次機會，但年老絕對不會是接收新知的終點。

文/ 江安世教授

人腦的演化使人類有別於其他動物，這其中教育型態的變革，乃至於從個人到整體人類聰明智慧的改變，從古至今大致可分為四個時期:
教育1.0: 古遠的人類先是發展出高階的語言，藉此能將知識的積累及創新的發明以口耳相傳的方式來教導下一代，這是聲音與聽覺支配知識型態的階段。
教育2.0: 人類大約7000年前發明了文字，知識傳遞不再侷限於口耳相傳，文字與書籍使得訊息交換得以跨世代跨地域的積累。這是光影與視覺勝出的年代。
教育3.0: 約百年前，知識開始數位化，訊息紀錄更方便，傳遞速度加快。各種運算方式與新興媒介及電腦的開發，刺激著全感官經驗的開發，知識的獲得不再是少數人的特權。
教育4.0: 近年來，網路化讓知識積累爆量，所有人都能快速得到所需的大量資訊。當每個人都能快速取得所需的資訊，那我們還需要大學嗎? 大學的組織與建制，乃至於知識經濟的產生及其傳授方式，理當有所變革。

我們可以從1.0至4.0的變化中看到所有的教育改革都是與大腦有關係，所以未來的高等教育並不只能限縮大學內，而是全球化的教育。

首先我提出了大腦與電腦「雙腦教育」，與電腦的結合並不只限於3C產品的瀏覽與使用。在2020年，Elon Musk在八月發表Neuralink，將動物大腦與電腦連線，使腦機介面正式進入商業化。這樣的腦機介面諭示了未來的發展，人類是可以透過科技運用思想做溝通，同時也可以更加順利的吸收來自網路的知識。Neuralink的發表代表腦科學的重要性，以及衍伸面對未來的科技，我們應如何自處的問題。

而透過新科技以及從腦科學研究衍伸的教育方式，人類可以真正達到因材施教，每個人都可以專注於自己喜愛的事物，找到個人獨特價值，成為自己所熱愛的領域的菁英。而隨著全球化的擴張，資訊交流、傳遞的範圍不再限於同語言地區，而是全世界，也因此促進全球連動，使世界上所有成員的組成跟大腦一樣、如同大腦一般的運作。也因此我認為面臨人腦的開發以及知識與科技全球化衝擊，台灣的高等教育可以學習人腦的運作模式：鼓勵多樣性與創新力，重點加強特色團隊的專一性，產生群體湧現的社會價值，已具特色的貢獻全面接軌國際高等教育與科學研究的未來。

Podcast：
腦補Ep1：https://open.firstory.me/story/ckp3ptdrcpltb0875clybyp8a/platforms

文/朱麗安助理教授

在做腦科學研究時，看見神經細胞往往是通往大腦的鑰匙，但其實不是想看到就能看到的，因為一顆神經細胞的大小，只有十分之一到百分之一的頭髮粗，所以能夠觀測微小結構的儀器例如顯微鏡，在腦科學研究時佔了非常重要的一席之地。一百多年前的神經科學家卡哈就已經利用了解剖顯微鏡搭配手繪稿，跟我們說明了大腦中藏著各種不同型態的神經元，而他們的功能也在今天一一的被解開。

顯微鏡的種類繁多，但目的都是為了觀察微小的結構，而因為螢光蛋白的發現，以及基因轉殖技術的發明，讓科學家能夠任意的標定特定想看到的特定種類的神經細胞，使得得能夠利用雷射激發螢光分子，進而擷取螢光影像的光學顯微鏡漸漸的變成主流。

另一個解析度遠高於光學顯微鏡的工具是電子顯微鏡。然而，電子顯微鏡雖可以看到奈米等級的的畫面，但由於一次只能看樣品中很小的範圍，並且仰賴金屬染色，研究人員不一定可以明確看到自己想觀測的區域；但若是回歸使用光學顯微鏡，即便是多彩色的，解析度卻不足。人類的大腦有上千億顆神經細胞，若要觀測其中特定細胞的型態，其困難程度就像是將大腦比喻為亞馬遜森林，我們該如何鎖定其中一顆小草呢？

於是學者找到不同方向完成研究，一種是在光學顯微鏡上做解析度的突破，使得光學顯微鏡能取得奈米等級的影像，這樣的技術也讓三位科學家在2014年獲得諾貝爾獎的殊榮。而另一個完全不一樣的突破性發明，則在2015年誕生：擴展顯微鏡（Expansion microscopy）。擴展顯微鏡的想法來源非常的有趣，是來自於小嬰兒都需要的紙尿褲。尿褲中的高分子在吸水之後會膨脹開來並且定型，這讓麻省理工學院的Ed Bodyden教授團隊發想出，若是把大腦本身也照這樣放大，不就能輕易地拿到超解析的圖像了？這個技術一開始還令神經科學家都無法相信他的可靠度，畢竟一台超解析顯微鏡動輒千萬，很難想像只要一個簡單的化學技術就可以完全取代原本的發明。然而好的技術就禁得起時間的考驗，在2021年的今天，全世界已經有數百到數千個實驗室利用這樣的方法，看到過去無法在光學顯微鏡下觀察到的結構，甚至能夠結合結構性的定序技術，了解細胞轉錄或轉譯的調節機制。

這樣的腦科學研究技術發展脈絡也讓我們很清楚的了解，腦科學研究絕對不是一條單純的道路，生物、化學、電機、資工、物理等等的領域，都可能是在腦科學研究上造就重大貢獻的背景，以理解大腦為目標，不再有科別之分，是目前要踏入腦科學研究要做好的心理準備，也因為這樣，理解大腦的大門，隨時都為所有人而敞開！

文/羅中泉教授

人工智慧的原理非常多樣化，其中一種主要形式為「類神經網路」，顧名思義即是模仿生物神經系統運作原理的一種運算方法。近年來類神經網路逐漸進化到深度神經網路，也就是參與運算的網路層數從過往的三五層增加到幾十層。另外，加上深度網路學習機制的改進，讓類神經網路的能力在過去十多年大幅爆發。其中最有名的例子就是下圍棋的Alapha Go，在長期的訓練之下，Alapha Go也漸漸成為無人能敵的強者。

然而，此種人工智慧仍然面臨了兩個大瓶頸。第一是對硬體運算能力要求甚高，第二是需要大量的訓練資料，學習效率不高。為了突破此瓶頸，科學家再度借鑒腦科學，希望能夠發展出新的計算原理，其中一個重點領域即是硬體架構。目前大多數深度神經網路還是在傳統的電腦上以軟體模擬的方式運算，然而傳統電腦中的記憶單元與運算單元是分開的，與神經系統中記憶即運算單元的結構截然不同。因此有科學家開始發展仿神經晶片，直接把神經網路的結構設計到硬體中，這樣不但可以顯著加速類神經網路運算的速度，也可大幅降低所需的功耗。

另外，大多數動物大腦中的神經之間有高度的互相連結，稱作回饋式網路，與深度神經網路嚴格分層的結構截然不同。分層網路的優點是每一層的輸入、運算與輸出可以清楚的區分，所以易於工程上的設計與組合。回饋式網路模糊了輸入輸出的界線，與傳統工程設計的思維大不同，因此如何把更真實的大腦神經網路結構運用在類神經網路中是個亟待解決的問題。

最後，深度神經網路的學習機制以反向傳播法為主，與目前已知的生物神經網路的學習方式截然不同。反向傳播法在明確分層的深度網路有其優點，但難以應用在仿生的回饋式網路，因為這種網路中的訊號傳遞沒有明顯的 “正向” 與 “反向”。生物神經網路使用的學習方式相當的複雜與多樣化，如能從生物的機制啟發出新的學習演算法，或許可以解決類神經網路學習效率不高的問題，讓人工智慧裝置如自駕車能夠更可靠且有效率地為人類服務。

文／陳思廷教授

當一個人經驗到他正在讀一本書時，他可以意識到自己與他的心靈狀態(mental state)，那麼經驗與意識與物理狀態(physical state)有何差別？一本書的物理狀態是它在物理的時間與空間佔據了一個特定的點；但是，與這本書有關的意識，卻並不具有如書本這樣的物理特性或狀態，意識有如時空的連續體，充斥著我們的經驗。

心靈狀態就是腦及其相關的神經元狀態(neuronal state)嗎？當一個人正在讀書時，他的腦內之神經元必定處在某個神經元狀態，可以經驗到的是自己正在讀書的心靈狀態之內容；但是，他顯然不能夠以同樣的方式經驗到這個神經元狀態之內容。換言之，人類能夠意識到的是心靈狀態的內容，而不是神經元狀態的內容。

雖然我不能夠意識到自己腦內的神經元狀態之內容，我卻可輕易地意識到自己的心靈狀態之內容；但是，我能夠輕易地意識到他人的心靈狀態之內容嗎？當我看見他人因為嚐一口椰子餅乾而滿臉歡愉時，我並不能完全意識到對方的心靈狀態之內容－亦即，對方的心理感受；因為可能我品嚐椰子餅乾的感覺恰好就是他人品嚐巧克力餅乾的感覺！

有人可能會建議：當兩人分別在嚐椰子餅乾的當下，利用磁振造影(MRI)來測量腦神經元活動所引發之血液動力的改變狀態之功能表徵(functional representation)是否相同，就可以得知兩人的心裡感受是否相同。這樣的檢測安排，其實只解決了所謂「意識的容易問題」(easy problems of consciousness)：透過測量方式以判定兩人的意識之功能表徵是否相同。但是，就如同哲學家Thomas Nagel在〈作為一隻蝙蝠的感覺會如何？〉中所指出的：不親自作為一隻蝙蝠，永遠無法感受蝙蝠的主觀感受。內格爾所指出的困境就是日後另一位哲學家David Chalmers所謂的「意識的困難問題」(the hard problem of consciousness)：意識之感質(qualia)內容只有個別的主體本人感受得到，他人無從企及得知！而更令人困惑的是「意識生成的問題」：如果心靈狀態如此地不同於腦的神經元狀態，後者如何產生前者？

自20世紀中後期開始，心靈哲學家與腦科學家就攜手合作展開了密集的對話與辯論，「意識的容易問題」之所以是容易的，就是這項合作取得重大進展的明證。展望未來，心靈哲學界與腦科學界的共同目標就是思考如何來合力破解「意識的困難問題」與「意識生成的問題」。

果蠅神經元如何將氣味與痛覺連結形成長期記憶過程大解密！

VGlut-F-600251
氣味分子由嗅覺接收神經傳至PN(嗅覺投射神經)將訊息傳入

VGlut-F-800315
KCs(肯氏細胞)接收來自PN神經的訊息，傳至MB(蕈狀體) 的lobe位置，在lobe的位置進行氣味電擊的association

G0239-F-000001
蕈狀體輸出神經，接收蕈狀體的訊息，影響果蠅採取趨近或躲避的行為

TH-F-100099
多巴胺神經將訊息投射至MB lobe特定區塊，傳遞電擊訊號，造成KC至MBON間的連結強度改變

Cha-F-200379
FBIN(扇形體輸入細胞)接收來自MBONs的訊息將訊息傳至FB

Gad1-F-600335
FBLN(扇形體區域神經)接收訊息在扇形體中處理，可能與果蠅如何決定身體移動有關

VGlut-F-200356
匯整腦中與身體移動相關之訊號並將訊號向下傳遞至身體的中樞神經(VNC)

5-HT1B-F-300000
DAL接收部分MBON之訊息，其蛋白質合成促進長期記憶生成

npf-M-200039
DAL2被多次反覆訓練促發，釋放出NPF抑制遺忘細胞，穩固長期記憶