科學人(第146期/2014年4月號): SM146

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科學人(第146期/2014年4月號)

封面故事

心理學?

36 Google效應--搜尋引擎如何改變你的心智??文╱韋格納(Daniel M. Wegner)、沃德(Adrian F. Ward)?

數千年來,人類依賴彼此記憶日常瑣事,現在轉而依賴「雲端」,這正在改變人們的記憶方式、與他人的連結以及對自我的認知。?

資訊科學?

40 Google與我交換記憶?文╱張俊盛?

現代資訊技術改變了搜尋引擎的面貌與角色,只要一個點擊動作,搜尋引擎就會為我們的生活提供一定程度的協助,成為我們不可或缺的夥伴。?

腦科學

44 超強記憶力?文╱麥高(James L. McGaugh)、拉波特(Aurora LePort)?

你的記性好嗎?神經科學家發現,某些人能夠鉅細靡遺回憶起20年來所有經歷過的事,高度優異記憶探索之旅就此展開。

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Publisher
遠流出版
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Published on
Apr 1, 2014
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Pages
116
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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科學人(第147期/2014年5月號)

封面故事

Brain世紀大解密

32 人腦螢光圖譜?文╱尤斯特(Rafael Yuste)、邱契(George Church)?

世界上最複雜的機器:人類大腦,是如何產生思想與情緒?大型的腦科學研究正積極研發各種創新技術,希望闡明這個世紀之謎。

40 大腦基因地圖?文╱雷恩(Ed Lein)、霍瑞里茲(Mike Hawrykycz)?

我們常以動物來進行腦科學實驗,但是從基因在大腦中的活動分佈地圖,可以明顯看出人腦和鼠腦存在著巨大的差異!世人深信已久的大腦皮質功能理論,受到了挑戰。

48 中央研究院院士曾志朗:智慧從何而來??整理╱鄭靜琪?

腦科學研究真正應該要探究的是人腦不同部位間的功能性連結,進而了解人類的智慧。台灣可以做小規模但具特殊地方性的研究,把自己的平台準備好,未來就可以與國際平台整合。

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50 中央研究院院士蒲慕明:應從社會急需著手?整理╱陳品妤?

如果要對人類有貢獻,腦科學研究應該從腦疾病著手,整合各界的資源進行早期診斷與治療,並針對腦退化疾病與精神疾病開發新藥,這才是社會急需的!

52 清華大學腦科學研究中心主任江安世:先期收穫,單點突破?整理╱龐中培?

許多國家最近都展開了大型的腦研究計畫,台灣應該用獨特的創意做出貢獻,並與既有的電子產業結合,使得研究成果能很快得到應用。?

  獨家披露

 

  第一個複製人胚胎

 

  2001年12月,一群美國科學家發表了複製人胚胎的研究成果,在國際間引起了相當大的震撼與熱烈討論。這群科學家強調,複製人胚胎可為醫療複製提供源源不斷的幹細胞;但是,技術上的困難與重重的道德考量,卻是複製熱潮背後值得我們再三深思的議題。

 

  撰文/希貝里(Jose B. Cibelli)、藍札(Robert P. Lanza)、威斯特(Michael D. West)、伊澤爾(Carol Ezzell)

 

  翻譯/黃榮棋

 

  這些胚胎雖然只是如此微小的點點,卻孕育著無限寬廣的希望。經過連月來的嘗試,我們終於在2001年的10月13日,於先進細胞科技公司實驗室的顯微鏡下,目睹我們一直期盼的東西——分裂的細胞小球。這些連肉眼都看不見的細胞球體,看來雖不起眼,卻非常珍貴。因為就我們所知,這還是第一批利用核體移植技術(也就是大家熟知的「複製」)製造出來的人類胚胎。

 

  運氣好的話,我們希望能誘使這些早期胚胎繼續分裂成約100個細胞、狀如中空球體的「囊胚」。我們想從囊胚裡分離出人類幹細胞,當作原始材料,以培養替代用的神經、肌肉以及其他組織,希望有朝一日可用來治療各種疾病。可惜的是,只有一個胚胎發展到六個細胞的階段,其後就不再分裂了。但在另一個類似的實驗,我們卻能讓卵子在未經受精作用下,成功以「孤雌生殖」的方式發育到囊胚期。我們相信,這些研究成果(發表在2001年11月25日的網路期刊《電子生物醫學:再生醫學期刊》)代表著一個醫學新紀元的開始,證明複製療法不再是遙不可及。

 

  醫療複製(複製療法)的目的,是想利用患者自身細胞的遺傳物質來製造例如胰島細胞以治療糖尿病,或製造神經細胞以修復受損的脊髓。這種醫療複製和生殖複製是截然不同的。生殖複製是將複製的胚胎植入母體子宮,並令其產下複製嬰兒。我們相信生殖複製對母體與胎兒都有潛在的危險,現階段並不可行。我們也認為,在安全性與道德問題尚未解決之前,生殖複製應該要受到限制。

 

  令人不安的是,鼓吹生殖複製的那些人(見第44頁〈生殖複製:他們要製造嬰兒〉一文),正利用著「醫療複製」之名,宣稱他們使用複製技術,是為了製造嬰兒給那些用盡各種手段都還無法受孕的夫妻。我們反對這種說詞,並且認為,宣稱這種行為是「醫療」的說法,只會造成混淆。

 

  我們做了什麼?

 

  2001年初,我們開始嘗試複製人類胚胎。第一步是徵求道德諮詢委員會的意見,這個委員會是在1999年籌組成的,成員包括有倫理學者、律師、不孕症專家以及法律顧問,是以常設性質指導我們公司的研究方向。在達特茅斯學院倫理研究所所長葛林的領軍下,道德諮詢委員會仔細討論了五個主要議題之後(見第40頁〈醫療複製的道德考量〉一文),認為我們可以開始進行複製研究。

 

  緊接著我們要徵召願意捐出卵子供複製研究的婦女,同時也要收集願意被複製的人(即捐贈者)的細胞。複製過程看似簡單,成功與否卻有賴許多小因素的配合,其中有些我們也還不是很清楚。這種基本的細胞核移植技術是利用一根非常細微的針管,將成熟卵子裡頭的遺傳物質吸出來,再把捐贈細胞的細胞核(有時會用到整個細胞)注射到去核的卵子裡頭,然後將卵子培養在特定環境下,讓它繼續分裂生長(見下圖「醫療複製:是怎麼做到的?」)。

 

  我們在波士頓地區的刊物上刊登廣告,找到了願意以匿名方式捐出卵子供我們作研究的女性。我們只接受來自年齡24~32歲,且至少生過一個小孩的女性的卵子。有意思的是,對我們的構想表示有興趣的女性,不同於那些願意提供卵子給不孕夫妻做人工受精的人。回應我們廣告的這些女性,之所以願意提供卵子是因為它的研究用途,許多人不願意卵子用來製造她們永遠也見不到面的小孩。(捐卵者的招募以及卵子的收集工作,是由麻州索麥維的鄧肯荷理生物醫學公司的季斯林古柏團隊負責。季斯林古柏本人也參與卵子捐贈等相關道德問題的研究。)

 

  為確認捐卵者的健康狀態,以及確保捐卵過程不會傷害到她們,我們要求可能的捐卵者通過心理與生理檢查,包括傳染病的篩檢。最後我們找到12位不錯的捐卵人選。我們同時還從其他數位匿名者身上取得皮膚的活組織,從中分離出稱為「纖維母細胞」的細胞,以供複製之用。這些提供纖維母細胞的捐贈者,有來自不同年齡層的健康人士,也有些是糖尿病或脊髓受損的病患——可能就是會因醫療複製而受惠的人。

 

  2001年7月,我們做了第一次的複製實驗。時間點的選擇全視捐卵者的月經週期而定,捐卵者必須接受數天的賀爾蒙注射,使她們一次可以排卵十顆左右,而不是平常的一兩顆。

 

  我們終於在第三次實驗見到成功的曙光,因為注入卵子的纖維母細胞的細胞核似乎有分裂的跡象,但最終還是沒有分裂成兩個完整細胞。所以在下一次的實驗裡,我們決定利用若山照彥及其同事曾經使用過的方法。(這些科學家在1998年創造了第一隻複製小白鼠。當時若山照彥任職於夏威夷大學,現在則在先進細胞科技公司。)我們雖如往常一樣,把皮膚的纖維母細胞的細胞核注入卵子,但我們同時也選用了另一批卵子,改而注入稱為「卵丘細胞」的卵巢細胞。這些卵丘細胞在卵巢裡,通常會提供養分給發育中的卵子,在卵子排出後有時還會黏在卵子表面。因為卵丘細胞很小,所以可以整顆注入卵子。終於在七位志願者共捐贈了71顆卵子之後,我們複製成第一個早期胚胎。在注入卵丘細胞的八顆卵子當中,有兩顆分裂成胚胎初期的四個細胞,有一顆甚至分裂到至少有六個細胞才停止生長。

 

  孤雌生殖

 

  我們也想知道,卵子是否可以無需精子的受精作用,或不必去核再注入其他細胞核,就可以直接分裂成早期胚胎。在正常的狀況下,為了避免受精後胚胎含有雙份基因,成熟的卵子和精子各攜帶體細胞一半的遺傳物質,但是卵子只有在快要成熟的時候才會減半其遺傳物質。如果卵子在這個階段之前就被活化的話,還是會擁有完整的一套基因。

 

  以這種孤雌生殖方式活化病患的卵子,其分裂細胞中衍生出來的幹細胞,應該不會在移植後遭到排斥才對,因為這些細胞與病患本身的細胞十分相似,而且也不至於製造太多自身免疫系統不熟悉的化學分子。(不過,因為卵子與精子形成過程中必然會發生的基因洗牌效應,所以這些細胞也不可能與病患本身的完全一樣。)比起那些取自複製的早期胚胎之幹細胞,這類細胞對某些人而言也許比較不會引發道德爭議。

 

  想想下面的情節,一位患有心臟病的女子,也許可以收集自己的卵子,讓它在實驗室裡活化並分裂成囊胚。之後科學家就可以利用各種生長因子,將分離自囊胚的幹細胞誘變成心肌細胞,並養在實驗室的培養皿裡,將來可以用來彌補這位女子心臟缺損的部位。但若想使用類似的「孤雄生殖」技術製造幹細胞來治療男人的話,可就要麻煩得多,可能需要將男人的兩個精子注入去核的卵子當中。

 

  有研究曾經報導過,若將小白鼠或兔子的卵子暴露於化學藥劑,或接受例如電擊等物理刺激的話,就可以誘使卵子分裂成胚胎。早在1983年時,羅伯森(現在任職於哈佛大學)便已證實,自小白鼠的孤雌胚胎分離出來的幹細胞,可以分化成包括神經與肌肉在內的各類組織細胞。

 

  在我們的孤雌生殖實驗當中,我們把22顆卵子養在可改變細胞內離子濃度的化學藥劑裡。經過五天的培養,其中有六顆卵子發育成形似囊胚的東西,只不過沒有任何一個含有可產生幹細胞的所謂「內細胞群」。

 

  為何而做?

 

  我們渴望有這麼一天,可以利用複製療法或孤雌生殖的細胞療法來治療病人。現在我們把心力投注於神經與心血管系統方面的疾病,以及糖尿病、自體免疫疾病,還有與血液、骨髓相關的疾病。

 

  一旦我們可以從複製胚胎得到神經細胞,我們希望不只可以用來修補受損的脊髓,還可以治療如帕金森氏症這種腦疾。帕金森氏症是因為製造多巴胺這種化學物質的腦細胞壞死,因而造成無法控制的顫抖與癱瘓。阿耳茲海默氏症(老人癡呆症)、中風以及癲癇等,也都有可能會利用到這種治療方法。

 

幹細胞除了可以生成胰島細胞,用以製造胰島素來治療糖尿病之外,幹細胞也可以誘生成為心肌細胞,用來治療充血性心臟衰竭、心律不整、以及心臟病發作後受損的心肌組織。

 

  還有一種應用可能更為有趣,這或許和誘導複製幹細胞分化成血球與骨髓細胞有關。自體免疫疾病的產生,像是多發性硬化症或風濕性關節炎,是因為源自骨髓的免疫系統的白血球攻擊了自己體內的組織。初步研究已經顯示,因接受高劑量化療而導致骨髓受損的自體免疫疾病癌症病患,在接受骨髓移植之後,其自體免疫疾病的症狀有減輕的現象。注入可以製造血球細胞的複製幹細胞,或許可以「重新啟動」自體免疫疾病患者的免疫系統。

 

  然而,複製的細胞(或以孤雌生殖方式產生的細胞)正常嗎?只有臨床試驗才能真正告訴我們,這些細胞是否安全到可以應用到病人身上,但我們的複製動物實驗顯示,這些複製出來的動物都很健康。我們在2001年11月30日的《科學》雜誌中報導我們複製牛的成功經驗。在30隻複製牛當中,有6隻出生後不久就死亡,其餘的體檢結果一切正常,而且免疫系統的檢驗結果也與一般牛隻沒有兩樣。其中兩隻母牛後來甚至還產下健康的小牛。

 

  複製過程似乎也會重新設定複製細胞的「老化時鐘」,所以這些複製的細胞,在某些方面似乎比原來的細胞要來得年輕。2000年時我們曾報導過,複製小牛的染色體端粒(染色體兩端的帽蓋),與一般小牛的長度是一樣的。染色體端粒的長度,一般會隨著生物體年齡的增加而變短或受損。因此複製療法也許可以提供「年輕」細胞給年老人口。

 

  2001年7月,麻州劍橋懷海德生物醫學研究所的傑尼西及其同事,發表了一篇備受重視的報告。他們發現複製小白鼠身上會有所謂的「胎跡缺陷」現象。胎跡是發生在哺乳動物許多基因上的一種印記,會因基因遺傳自父方或母方,而對基因的開啟與否有不同的影響。胎跡程式一般在胚胎發育過程中會「重新設定」。

 

  雖然胎跡對小白鼠好像很重要,卻沒有人知道這種現象對人類是否有任何意義。除此之外,傑尼西及其同事並沒有研究從成鼠身上的細胞(例如纖維母細胞或是卵丘細胞)複製出來的小白鼠。他們的小白鼠都是從胚胎細胞複製而成的,因此變異性可能也會比較大。有些研究顯示,複製自成鼠細胞的小白鼠有正常的基因胎跡。這些結果已經被學術期刊接受,預料近期就會刊出。

 

  另一方面,我們也會繼續進行我們的醫療複製實驗,製造可產生幹細胞的複製人胚胎或孤雌人胚胎。總而言之,科學家才剛輕扣這個寶庫的大門呢!

 

  黃榮棋,長庚大學生理科副教授,本刊編譯委員。
透視生命奧妙了解基因與細胞運作、最新生物科技的22個必修學分

地球上的生命是如何出現而又演化成現在的樣子?細胞為何能從事許多令人驚嘆不已的工作?最新的生命科學發現是怎麼應用到日常生活中?未來的人可能會享有哪些先進的醫療?生命科學最前緣的研究內容,盡在本特輯中。精采單元:

生命的根源細胞的奧秘你我的生命學議題生物科技最前線萬物皆靈

導讀

就算無法定義生命,也不減探索的樂趣!──長庚大學生理科副教授黃榮棋專文導讀?

薛丁格的《生命是什麼?》一書在1944年問世,至今已過了67個年頭,這個問題依舊沒有令人滿意的答案,如同世人對生命的定義始終沒有共識一般。但若要找一個最接近生命定義的,代謝應是首選。由於代謝,生物體可以不違背熱力學第二定律,利用能量來建立生命所需的分子秩序。生命或許就是源自能量驅動的小分子化學反應網絡,最終發展出複製能力,並以達爾文演化機制來適應環境。?

果真如此,病毒這種無法獨立自營生活、必須仰賴其他生命才能代謝的個體,又該如何歸類?就這個問題而言,病毒與暫時停止代謝活動的休眠種子一樣,似乎超越世人的生命概念。無論如何,病毒攸關人類健康,並賦予人類與細菌共有的基因,在生物演化上扮演舉足輕重的角色,或許就像諾貝爾獎得主勞夫所言:「病毒就是病毒!」第一單元〈生命的根源〉,將引領你深思這些帶點哲學味道的問題。?

想更具體了解生命如何運作,第二單元〈細胞的奧秘〉會給你完全不同於以往的視野。生命的基本單位是細胞,同一個體的細胞都含有一樣的基因組。雖然如此,基因表現卻非一成不變,而是會受到調節。例如有一群特殊的基因,可以在生物處於逆境之時,協助防衛身體,增進個體的健康並延長壽命。研究證實,限制熱量的攝取可以活化這些基因,延長小鼠、大鼠與狗(甚至靈長類)的壽命。了解這些「長壽基因」的調控,人類長命百歲就不再是夢想。?

細胞也可以藉由所謂的自噬作用,利用細胞內的微小「自噬體」來清除廢物以及入侵的病毒和細菌。這種自噬作用似乎對神經細胞特別重要,像阿茲海默症與老化,就可能與腦神經元自噬功能的衰退有關。知道如何抑制或促進自噬作用,將有助於疾病的治療,甚至也一樣可以延緩老化。?

基因表現通常是透過特殊蛋白質結合到基因的調節區,來促進或抑制mRNA的轉錄。近10年來科學家卻在各種生物細胞,發現到一種類似糾察隊的「RNA干擾」(RNAi)系統,可在細胞出現有害的基因表現時,適時攔截該基因的mRNA。RNAi這種「消音」功能只會針對特定的mRNA,而不會影響其他基因的訊息。科學家若能找出誘導RNAi的方法,應該可用來抑制與癌症、病毒感染與其他疾病相關的基因表現。?

基因組雖攜帶製造蛋白質的訊息,但蛋白質才是細胞功能的執行者。一個個體中的細胞雖有著相同的基因組,卻因為表現出不同的蛋白質,而能執行不同功能,以符合生理之需。因此,若能明白特定細胞的蛋白組以及蛋白質之間的功能互動,就更能充份掌握這些細胞的特性。例如癌細胞表現的特定蛋白質,或可用來做為檢驗與治療的標的。?

但因為不同細胞會表現不同的蛋白質,而且一個基因還可以不同的剪輯方式製造多種蛋白質,蛋白組學遠比基因組學複雜困難得多。蛋白組學已廣泛應用在臨床醫學與生命科學研究,也創造了蛋白組學儀器與耗材的無限商機。可以預見,蛋白質當家的時代已經來臨,蛋白組學將繼續提供寶貴的生命科學知識。?

另外一些熱門而切身的話題,包括幹細胞與維生素D等,則在第三單元〈你我的生命科學議題〉中有所討論。幹細胞是一種未分化的細胞,具有分化成各種不同功能細胞的能力,因此可用來移植以修復組織與器官。幹細胞研究雖具爭議,尤其是利用胚胎幹細胞所引發的倫理道德議題,但依舊是目前許多無法醫治疾病的一線希望。?

流行病學與生理學證據指出,演化造就了人類膚色在地球上的分佈狀況,這是因為攸關生殖成就的葉酸與維生素D,都會受紫外光輻射影響的緣故。此外,維生素D還具有強大的抗癌作用,對免疫系統的調節也很重要。最近的證據指出,維生素D會與細胞核內的受體結合,並影響基因的表現,因此具有廣泛的作用:起碼會對全身12種不同的組織、調節1000種以上的基因。這或可說明現代文明生活下,日曬普遍不足所產生的諸多問題。?

生物科技的進展已經趕上科幻小說,可以讓狗兒「冬眠」一小時,並在甦醒後安然無恙。同樣技術若能成功應用在人體,不僅可以保護重傷患者,還可以延長移植器官的時效。結合遺傳工程學與光學來研究特定細胞類型的新領域:光學遺傳學,已讓神經科學家可以準確地描繪,甚至控制腦內的神經線路,這對於研究神經線路與功能有重大的貢獻。?

利用遺傳工程技術來改造細胞、重新組裝生命,可以協助製造化學成份和抗癌藥物,甚至處理核廢料與生化武器。隨著生物科技的進步,或許不久的將來,DNA定序科技的普及,讓你只要花上三萬元就可以快速取得個人的基因序列。第四單元〈生物科技最前線〉帶你搶鮮體驗未來可能的醫療科技!?

生命世界的多采多姿,在動物生理與行為上也充份展現,你絕不能錯過第五單元〈萬物皆靈〉。有些動物雖然智力不如人類,但是感官上卻有過「人」之處,例如昆蟲和鳥類能夠察覺到紫外光,而鯊魚有特殊的器官,能夠感知周遭的電場變化,這是超越五感之外的另一種感覺能力。?

為何有些動物特別聰明?大象、海豚、鸚鵡、烏鴉以及大猿等社會化的動物,似乎都能展現非凡的智能。但透過對紅毛猩猩的研究,「文化提升智能」這個理論或許最能解釋智能的演化。行為經濟學的研究指出,卡布欽猴、黑猩猩與人一樣,都會分享食物。這種共享的心理可是致力合作生活的靈長類特有的演化產物。?

這本《透視生命奧妙》特輯廣泛涵蓋了生命科學領域的眾多重要議題,諸如生命起源、細胞生物學、生物科技以及行為演化等,也收錄了病毒學與肢體再生等有趣題材。想一窺生命玄機的讀者,絕不會失望。

導讀者簡介

黃榮棋?

長庚大學醫學院生理暨藥理學科副教授、神經生理實驗室主持人,《科學人》雜誌編譯委員。研究主題為生物時鐘的機制與細胞離子通道的表現,長期協助《科學人》雜誌生命科學、神經生理學以及生物科技等領域文章的編譯。

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推薦

【推薦文一】?

現代科學不僅帶給我們豐盛的物質享受,同時也影響了對自己和外在世界的認知。但面對排山倒海而來的科學衝擊,大部份學生在填塞了課本上的知識以應付考試後,多半從此就不再碰及科學。要大家有興趣持續認識科學,第一個需要克服的難題就是怎麼讓「科學說中文」!「科學人」將過去的文章,依類別結集成冊是一個新的嘗試。在此先預祝它成功!未來如果每篇文章後面能有更淺顯而周延的解說,那就更理想了。?

--周成功 (長庚大學生物醫學系教授)?

【推薦文二】?

我喜歡「科學人」。?

我喜歡「科學人」翻譯的「科學美國人」文章。?

我也喜歡「科學人」裡頭「科學台灣人」自己撰寫的文章。?

翻譯的也好,本土的也好,都一樣高水準。?

現在,「科學人」精選了近年來生命科學方面具有趣味性和教育性的精彩文章,收集成冊出版。這本特輯不但惠及一般讀者,也是很好的課堂教材及討論會讀物。?

期待「科學人」將繼續在其他領域出版這樣的專集。?

--陳文盛 (國立陽明大學生命科學系及基因體科學研究所教授)?

【推薦文三】?

科普文章一直是科學教育中重要且有效的一環!《科學人》的各期文章不但文筆順暢容易閱讀,又涵蓋了眾多的科學領域,不但幫助讀者掌握科學新知,也討論了許多科技發展所產生的社會議題,實屬珍貴的教育資源。將《科學人》的精彩文章依主題整理分類,方便讀者能一窺完整的知識架構,全方位討論科技的應用與衝擊,亦是讀者的一大福音。?

--蔡任圃 (台北市中山女高生物科教師)?

【推薦文四】?

形成生命的基本單元是什麼?基因?細胞?這些單元又如何形成複雜的個體?生命的機制雖是眼不能見,但每天發生在我們的周遭,叫人無可推諉。而要維持生命,生物就必須能和環境互動,趨吉避凶,這是個更引人入勝的問題。在人類基因體計劃完成後,生命科學在基因與細胞研究的基礎上快速的進展到系統生物的層次,最新的技術已能藉由改變神經細胞活性而遙控動物行為。「科學人」集結出版了近幾年討論相關議題的文章,好讓讀者能感受最新生命科學研究的脈動,這是值得推薦的智慧典藏。?

--江安世 (國立清華大學生命科學講座教授)

科學人(第148期/2014年6月號)

封面故事?

28 醣分子開啟製藥新時代

「 醣」是生物體內三大重要分子之一,現今21世紀的科學家已經可以任意操作遺傳物質、創造新奇蛋白質,甚至合成生物、列印器官,但是對於合成醣類的知識還相當淺薄。中央研究院院長翁啟惠首創的「自動化一鍋合成法」,已經突破困境,即將開啟生技製藥新時代。?

34 冷門領域遇上好奇心靈

2014年6月,有「諾貝爾獎前哨站」之稱的國際科學界大獎「沃爾夫獎」(Wolf Prize),把化學獎頒給了中央研究院院長翁啟惠。沉潛研究30年的翁啟惠,如何以好奇與熱情支持自己在這條艱難的道路上前行??

38 勇於失敗,才有機會創新!——專訪中央研究院院長翁啟惠?

創新的背後,是一連串的試驗、嘗試與冒險。企業、學校甚至社會,都應該鼓勵創新的精神,不要害怕失敗,而要鼓勵人們禁得起失敗和挫折!?

氣候變遷?

40 全球暖化假性暫停??

過去10年全球氣溫的上升速度減緩,但並不代表暖化效應就此打住,氣候危機依然在不久的將來等著我們。?

資訊科學?

48 論文抄襲記??

一套原本用來協助研讀論文的文本分析軟體,卻意外揭露某些科學家剽竊論文與重複申請研究資助計畫的違反倫理行為。?

52 抄襲與反抄襲的戰爭?

Google的語意向量和IBM華生電腦的搶答技術,把文字處理提升到語意層次,可防止文章剽竊及改善寫作表達,以達反抄襲之效。?

物理學?

56 超對稱玩完了???

數十年來,物理學家一直醉心於超對稱這個美麗的理論。但是在未來幾年內,若無法證明超對稱是正確的,就得面對劃時代的典範轉移。?

醫 學?

64 召喚免疫軍團來抗癌!?

研究人員正嘗試卸除免疫系統中的煞車器,以發展新一代對抗惡性腫瘤的強效療法。?

工程學?

70 變形機械妙用多?

利用材料與生俱來的撓性,製造出多變的單件式機械。它們耐用並且效率更高,將能取代多零件、缺乏效率的傳統機械。?

心理學?

78 高手盲點??

是「老狗變不出新把戲」,或是「舊愛還是最美」?原來是大腦對熟悉方法的偏執,讓我們看不見其他可能的選擇。?

古生物學?

84 化石GPS?

發現重要化石的過程大多像中樂透,運氣是關鍵因素之一。新的研究模型能夠預測何處可能有化石,如同定位化石遺址的GPS。?

數 學?

90 破解天才的手稿??

英年早逝的印度數學天才拉曼努真,留下了許多只有結論而沒有計算過程的手稿,其中隱藏著神蹟般的數學智慧。?

科學人觀點?

8 一見鍾情,佳偶怨偶,但看基因?╱曾志朗?

總編輯的話?

10 醣分子:癌症疫苗新焦點╱李家維?

12 讀者論壇?

科學人新聞?

14 看見暴脹宇宙?

火山舒緩全球暖化?

大麻治癲癇!?

永遠的王室之鷹?

3D長髮物理學?

螞蟻自組挪亞方舟?

克卜勒太空望遠鏡未死?

手機拍照篩檢口腔癌?

數位相片上的隱形簽名?

先人漫步在海邊?

鹿鳴把妹術?

火星上的新月圖騰?

歐洲醫師搶救數百萬非洲病人?

普恩蛋白攸關記憶?

形上集?

22 中學物理課本沒有明講的事╱高涌泉?

網路不打烊?

23 網路媒體的致命誘惑╱陳穎青?

不可勝數?

24 艾雪藝術的啟示╱李國偉?

專家看新聞?

25 重複驗證大不易╱凱莫(Veronique Kiermer)?

健康與科學?

26 電子菸安全嗎?╱馬隆(Dina Fine Maron)?

科學人書摘?

96 超乎你想像的數學問題╱摘自《和牛津˙劍橋新鮮人一起思考》?

資訊世界?

100 畏懼科技非壞事╱波哥(David Pogue)?

真真假假?

101 人之初,性好義╱薛莫(Michael Shermer)?

反重力思考?

102 別說不可能╱米爾斯基(Steve Mirsky)?

生物手記?

104 稀有蝙蝠現身馬祖?

—灰伏翼╱鄭錫奇、張簡琳玟、方引平?

在家玩科學?

106 以摩擦對抗滑動?

圖表會說話?

108 夏日蚊蟲大作戰╱菲謝蒂(Mark Fischetti)

窺探大腦挑戰思考、記憶與意識形成的25道難題

大腦主宰了我們理解世界與思考的方式,但我們對大腦卻所知有限。

從大腦基因與神經連結,能否解開記憶的編碼與意識的形成?藥物可以讓人更聰明嗎?先進的神經造影技術,能否讀出我們的思想?且讓本特輯與你一同遨遊腦海。精采單元:

從基因、神經元到大腦意識與記憶之謎心智功能再提升奇幻旅程

導讀

中央研究院院士 曾志朗 專文導讀?

大腦揭密,快跑;欲窺全貌,還早!?

「你的心裡在嘀咕什麼?」這句話意含著我們對世事的很多盤算皆來自「心」的運作。但科學和醫學研究也都告訴我們,這個「心」字指的絕不是生理器官的那個心,因為那些心臟移植成功的病人,並沒有因變心而改變性情,更沒有因此失去「自我」而不知道「我」是誰。所以這個「心」,指的應該是每個人經驗累積的存放平台,是抽象的情緒感受器,以及對記憶中意象和理念重組的資訊轉換機,更是能在意念和意念的碰撞中、在壓抑和活化的意識亂流中,衍生出新意念的萬花筒。至於那些能做比對、計算、算計以及能量分配的認知方式,只不過是讓思維凝聚的必然程序,是所謂「心智」的總體表現中不可或缺的一個層面。?

用這樣的角度來看心思和智慧,科學家就可以先拋開捉摸不定的「心思」,而以科學論證的方式來建構「心智」的運作平台。不論是用哪一種隱喻去比擬心智的運作(硬體如感受器、轉換機、萬花筒等,軟體如比對、計算、算計、能量分配、決策等),都需要有一個生理上的操作實體,做為感官、記憶、計算、決策、理解等知識運作的中介平台,那就是我們所熟知的「腦」——由一兆個神經元所組成,塞在空間不夠大的頭殼裡,形成彎彎曲曲充滿皺摺的灰質和白質,掌管神經資訊的傳遞和加工,包括感知、辨識、回應和儲存,而且串連不同腦區對特定的認知作業形成即時有效的神經迴路。這些複雜但又井然有序、由生理到心理層次的運作,通過現代高科技的各種腦神經顯影儀的掃描,科學家已經握有非常明確的證據。雖然影像的時空解析度仍待加強,且成像的分子基礎尚待釐清,但我們已經可以很科學的問「你的腦子裡在想什麼?」而不會感到「心」虛了!?

確定思維運作的所在地是「腦」之後,科學家就不再像早期的哲學家只能坐而思,必須起而行,走進實驗室,以更精密的神經顯影技術,搭配設計巧妙的實驗和高超的統計分析方法,由各個面向去探討腦的功能。如各種不同認知作業的神經資訊(what),會在腦的哪一個區塊內部活化或在哪幾個區塊(上皮質、下皮質、新皮質、舊皮質,還有小腦)形成連結的迴路(where)?特定迴路之間如何完成連結、如何相互激盪產生消–長的能量(how)?為什麼會演化出這樣的結構和功能(why)?這些不同面向的議題,觸及生命現象的各個層次,從最基層的基因研究,到神經系統的發展和組合,到行為的產生和規範,到意識的覺知和情緒的感受,到最高層的是非判斷,在經過數個「腦的十年」的實驗探討與理論建構,慢慢揭開了腦的神秘面紗。但科學家在期待下一個「腦的黃金十年」時,也心知肚明有更多問題等待解決。?

在新一代的腦研究中,有一個特性是不可忽略的:即每一個議題的提出,都有很清楚的跨領域內涵;各領域的研究進展和成就,都會影響其他領域對本身研究的重新思考。例如,緊接著人類基因組定序計畫的完成,腦科學研究也整合了基因研究與蛋白質分析技術的進展所帶來的新發現,以基因轉殖或基因剔除動物為對象,再搭配高密度神經元群體記錄的尖端技術,開展了腦神經演化的近因及遠因解密工作。此外,由於物理學家在低溫超導的技術革新,以及對核磁訊號的分析模式越來越成熟,各種神經影像的時空解析度也就越精準,帶動了認知神經科學的全面發展,並促使跨顱磁性刺激(TMS)在介入性的實驗研究和臨床治療上,發揮極大的效能。這些跨領域的研究,引領著不同專業的學者,把各自的觀點聚合(converge)在如何理解生命現象的共同問題上。?

生命現象本就錯綜複雜,但這些複雜現象的背後,仍然是清晰可見的自然規律。因為人類只有一個腦,它的運作遵循著生物演化的原生設定,也在這個基礎上,和周遭環境所給予的不同社會壓力,形塑個體的行為型態,所以每一個人的行為不但代表個人腦神經的生物傾向,也反映出腦做為資訊的轉換平台的抉擇與適應過程,代表的是社會的集體規範。就腦生長發展的觀點而言,個別差異是遺傳的結果,也是環境的縮影,更是在兩者長期適應(accommodation)和同化(assimilation)的互動下所形成的產物。這其中的奧秘,科學家目前還不很清楚,但由疊積的有限知識,已經讓科學家充份了解,靠單一領域的研究欲窺腦的全貌,絕對是不可能的任務,沒有超越領域的合作,就無法解開大腦的秘密,這已經是全世界腦科學家的共識了。?

目前,歐美的科學家都把腦科學的研究,由基因到神經發展的生化變化,到認知運作,到行為表現的整合,訂定為本世紀最重要的科研項目(我刻意不寫「之一」)。美國早已走在前面,歐盟也急起直追,在正進行的第七期科研架構計畫(EU FP7)中,特別設立一個主題,名之為「人類心智及其複雜性」(Human Mind and Its Complexity),探討腦在人類文明所扮演的角色。我是這個主題的諮詢委員之一,有幸見聞數百件由研究有成的學者提出的計畫案,我們審核的標準是跨領域的整合,和提出有風險但能清楚界定「腦的複雜性」的實驗設計。我國在這一方面的整合,比之歐美的大步進展,就顯得很薄弱。神經科學的個別研究散在各研究機構,沒有整合的機制;認知神經科學的概念,在台灣的學術界仍待建立。?

為什麼會產生這麼一個荒蕪的景象呢?我想,傳統學科本位的心態阻止了跨領域研究的思維,而新世代的社會科學研究人員在生物演化和認知哲學的知識背景也明顯不足,使他們對新興的腦科學研究望之卻步。為了開創新局,讓所有愛科學新知的科學人,都能更了解腦科學的進展,《科學人》雜誌編輯部集結了過去相關的文章,以四個單元去介紹腦科學研究和生命現象的關係,希望借由這些比較令人感興趣的生活面,看到腦神經運作的複雜性。男女有別嗎?人類以右手傾向者居多,反映左右兩腦功能的不對稱,那其他動物也如此嗎?你吃螃蟹時會注意牠是右利、還是左拐子?有增進記憶的藥丸嗎?學會讀寫漢字的腦和學會讀寫英文或其他拼音文字的腦有差別嗎?腦中神經訊息流動澎湃,是我們的夢之源?那「出槌」的流動是創意之母嗎??

太多的問題待解,但了解腦就是了解自我,了解社會文化,了解人在宇宙間、在萬物中、在歷史長河裡的定位。文明是腦的反映圖像,是腦的創作,也反過來規範腦的成長。我正在用演化中的腦、用腦創作的語言去談腦。也許,我觸動你或他的腦,產生出會改變腦的能量。人腦雖皺,潛力無窮。欲窺全貌?還早!

導讀者簡介

曾志朗

中央研究院院士、語言學研究所特聘研究員,陽明大學神經科學研究所特聘講座教授,《科學人》雜誌榮譽社長。開創漢語文神經語言學的研究領域,也是研究記憶、閱讀和注意力的國際知名認知科學家,並致力於科學文化的提昇。在《科學人》雜誌的專欄「科學人觀點」10年不曾間斷,曾獲金鼎獎最佳專欄寫作獎。

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推薦

【推薦文一】?

神經科學是上世紀70年代才出現的新興學門,結合了基礎的神經解剖、生理、藥理、病理與化學等學門,臨床的神經與精神病學,再加上行為與認知科學,乃成為真正的整合科學。神經科學之所以能夠結合這麼多領域的人才,乃是因為它研究的是大腦的運作,最終目的是了解人的意識與思想,甚至個性與人格。《科學人》這本專刊裡的文章,都是一流神經科學家的第一手研究成果,配合由淺入深的說明與精心繪製的圖表,絕對是神經科學最佳的入門讀物。?

--美國奧克蘭大學客座教授 潘震澤?

【推薦文二】?

腦子是天生內建好的,所以八週大的嬰兒就已知道喜愛協和、而不喜愛不協和的樂音,所以男人與女人的腦構造與功能會有所差異,所以經歷災難也會懂得驚恐。但腦子也會學習,透過神經元群將記憶編碼;同時參與形成記憶的這些神經元群,還可以萃取出普遍化概念。經驗更可以重塑腦子,改變其構造與連線,讓音樂家擁與不同凡響的音樂腦。且讓《科學人》精采100特輯,為我們說明腦子的神奇之處。?

--長庚大學生理科副教授 黃榮棋?

【推薦文三】?

小自一個眼神,大至一個精密的創作、神奇的發現、偉大的親情流露……,在無盡的時空中,人類所有文明的總和都來自這裡—腦子。現在,世界各地許多聰明的腦子傾全力去探索人類腦子的奧秘,精采的成果讓我們更清楚自己,也更增添心中的讚嘆,讚嘆我們共有的奧秘。揭露越多奧秘會發現還有更多奧秘,窺探大腦是個無盡的、精彩的探索之旅。也是一個教師可以放在身邊,了解自己、認識學生的最佳寶藏。

--花蓮高中生物科退休教師 廖美菊?

【推薦文四】?

這是一本能讓讀者盡情享受的腦科學彙編,我們可以跟隨二十一世紀科學家的腳步,一起解密這顆令人目眩的腦。不論是腦的構造、功能與疾病都能在其中得到有用的見解。想想看閱讀這本腦的奧義書時,正使用著腦的種種功能來認知理解腦的種種奧秘,這是多麼奇妙呀!地球上只有人類可以用腦來了解腦喔,邀請您與我一起探索迷人的腦內大千世界吧!?

--北一女中生物科教師 孫譽真?

【推薦文五】?

神經科學要有很多研究工具,要讀懂這方面的論文,也需要有深厚的神經解剖以及神經生理的基本素養,這方面,科學人雜誌的翻譯及編輯團隊表現優秀,能讓讀者了解體會,甚至運用於日常生活,現在集結成書,對讀者更方便了,我樂於推薦。?

--陽明大學教授 程樹德

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