科學人(第154期/2014年12月號): SM154

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科學人(第154期/2014年12月號)

不論西方、東方,不管是瑜珈、打禪,以往充滿神祕色彩的靜坐冥想如今成為一種流行:有人想要更專心、更有創造力,也有人為了紓壓抗憂鬱、追求身心靈的平衡。靜坐冥想真的這麼神奇嗎??科學界關注靜坐冥想已久,拜實驗方法發展、腦造影儀器精進,最近15年更進行了許多大規模的腦科學實驗:有超過100位長期靜坐冥想的僧侶或在家修行者,讓功能性磁共振造影(fMRI)或腦電圖儀(EEG)監測他們冥想中的大腦,並參與多項認知測驗。結果發現,他們大腦某些腦區的體積和一般人不一樣,神經纖維束連結也有些許不同,他們反應較快、也較不容易受壓力影響!

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透過放鬆的姿勢、集中注意力或感官全開,長期練習靜坐冥想也會影響許多生理機制,對健康可能有益。靜坐冥想的正面效應還有多少?〈大腦靜定 冥想的科學〉還在持續探究中。

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20世紀最受歡迎的數學科普作家葛登能(Martin Gardner)人稱「葛老爹」,他提出的「皇后問題」至今無人能完全解答。本期〈棋盤上的皇后問題〉抽絲剝繭、步步引導你可能的擺法。羅塞塔號與新視野兩艘太空船歷經10年旅程,〈登上彗星 再探庫伯帶〉能否解開太陽系形成的奧秘?就怕個人資料、行為記錄受到政府、廠商濫用,資訊科學家站出來呼籲〈挺住巨量資料 護隱私〉!

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更多精采內容,請見2014年12月號《科學人》雜誌。
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Publisher
遠流出版
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Published on
Dec 1, 2014
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116
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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2014年轉眼即過,各大媒體不免選出年度N條重大新聞、風雲人物,以為回顧。《科學人》雜誌則是前瞻未來,要猜猜哪些科學創意可能有所應用?哪些創新科技值得投資??

首先關注的是〈基因剪輯魔術師CRISPR〉。不認識這縮寫沒關係,它「只是」利用了細菌的某段基因序列、一個萬用酵素Cas9,再搭配一段RNA當引子……是當今最新穎、最快速精準的基因轉殖「套組」。想想PCR還沒普及之時,做一段基因定序可以出一篇碩士論文,如今個人全基因組定序只要1000美元、幾天就可以拿到報告。CRISPR的無窮潛力,已經應用在隨時客製化的實驗動物,治療病毒感染、遺傳疾病也不無可能。難怪創投資金紛紛湧進,儼然一個新興產業!?

以石墨烯獲2010年諾貝爾物理獎的蓋姆(Andre K. Geim)也有新點子。他以〈原子樂高〉的概念重新組合氧化物超導體,可製造出更能導電、更有彈性的全新材料。人類能否因此從矽時代邁進下一個未知?本期還有好幾個〈改變世界的妙點子〉,請您10年之後再來回顧了。?

美國直升機學會有25萬美元獎金一直發不出去,兩名年輕工程師如何改造腳踏車,〈挑戰不可能的飛行〉?癌症療法千奇百怪,最新卻也最不創新的辦法,竟是〈病毒爆破癌細胞〉!還沒搞懂3D列印,又要迎接〈4D列印新時代〉?前瞻未來,「近」在2015年1月號的《科學人》雜誌。

  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。
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

天才不必天生?意外造成的腦傷害,也可能讓人獲得特殊的智力或能力,例如突然變得很會畫圖、作曲,或展現過人的記憶力、可理解艱深的數學、修復複雜的機械......

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科學家搜尋古今病例,發現這樣的後天天才還真不少,有人是遭遇雷擊、棒球打昏、子彈穿腦,更出乎意料的是,有幾位額顳葉退化失智的老人家,也表現出天才般的藝術或音樂才能。仔細研究這些人受損的腦區與神經元活動,科學家歸納出「動員-重組-釋放」的三階段:受傷的通常是左腦,正常的右腦神經元活動增強了,建立新的神經連結後,這些腦區活動就會增強,便釋放潛藏的天賦!

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問題是,有誰會為了當〈意外的天才〉,甘願去冒受傷或失智的風險?一些腦科學技術或許有類似效果!實驗證實,接受跨顱直流電刺激(tDCS)的受試者,解開「九點謎」的表現確實比較好;有「思想帽」之稱的反覆跨顱磁性刺激(rTMS),則可增強空間處理與計量能力。為了治病,醫生可以〈量身微調你的大腦〉,但用於智力升級,合乎倫理嗎??

白蟻丘、織布鳥巢、蜜蜂窩充滿著大自然的智慧,這是動物本身的智慧嗎?藉由田鼠雜交與鯛魚的基因分析,科學家發現這些〈動物建築大師〉巧奪天工,竟也脫不了遺傳與演化的控制!開放、互相尊重包容的學術環境,有助於提升科研創造力,而更基本的、也是如今「全球科研趨勢」,是從提升成員的多元性開始!更多精闢見解,盡在2015年2月號《科學人》雜誌!?

主編的話

抗生素無敵的時代已經遠去了,愛滋病等重大疾病的疫苗發展卻停滯不前。人類對抗病原體的戰爭,距離落幕還遠:狂牛病依然讓人捉摸不定,瘧疾每年帶走數百萬條人命,抗藥性細菌在各大醫院中肆虐,新興疾病與基因不斷重組的流感病毒,從各種動物竄向人類傳播。在《尖端醫學》特輯中,站在最前線的科學家,執筆寫下與病原鬥智鬥力的過程、在各戰役中的貢獻,以及對未來醫學的看法,帶給我們警惕,同時也帶來希望。

除了藥物,許多新技術不但能夠對抗疾病,還能搶救因休克而瀕死的病人。原本是毒素的肉毒桿菌毒素,已廣泛使用於醫學美容,還能緩減頭痛。科學家結合了幹細胞與組織工程的技術,做出人造肌肉、在試管中培養牙齒,人工器官也已在望。電子科技讓患者在虛擬世界中減緩真實的疼痛,讓膠囊大小的無線內視鏡仔細檢查人體內部。這些醫學技術上的最新發展,都在《尖端醫學》特輯裡從頭細說。

導讀

百年來細菌與病毒帶給人類的啟示 蘇益仁

雖然人類與微生物在自然界相處,可上溯自人類初始,但微生物被發現與人類疾病息息相關,也不過是一百多年前的事。法國的巴斯德與德國的柯霍在19世紀末與20世紀初期,揭開了微生物引發人類傳染病過程的序幕。繼而病毒在電子顯微鏡下的真面目也為科學家所觀察到,微生物在自然界的生態及對人類的威脅也逐漸明瞭。到了21世紀,科學的發展已能經由監測工作及分子基因診斷而發現早期的疫情,並開發藥物及疫苗來預防。2003年的SARS及2009年的豬流感pH1N1(p代表豬),幾乎都在疫情發生的幾個月內就受到控制,免除全球性災難的發生,這在19世紀之前是不可思議的事。

然而「道高一尺,魔高一丈」,在20世紀末人與微生物的戰爭中,科學家發現,對於微生物的控制,不如20世紀初抗生素如盤尼西林剛被發現時的樂觀,細菌及病毒自有一套生存之道,就如俗語所說「一枝草、一點露」,這些病原體在抗生素及抗病毒藥物的攻擊下,衍生出一系列的防衛做法,得以茍活殘存。細菌而後演變成金剛不壞的「超級細菌」,病毒則發展出對抗藥物的機制,這都令科學家及醫藥界傷透腦筋、疲於奔命。人類會不會面臨到無藥可用、被微生物反噬的地步,正是目前醫學界面臨的課題。人與微生物間如何共存,其實是科學家必須好好思考及研究的主題。

本特輯中的五個單元其實勾勒出科學界在過去一百多年間,從人與微生物互動的經驗中所獲得的寶貴知識。在第一單元「防治傳染病」中,指出自然界生態的改變及破壞,是人類傳染病大流行發生的根源。自然界環境中,生物的互動經歷長久的演化,已達成共生平衡的狀態,人類只不過是這個生態系統中的成員而已。但隨著人類的戰爭、遷徙、對資源的採取與利用,使得原始的生態環境中的平衡遭受破壞,原本只存在動物間的微生物開始傳染到人類,形成人畜共通(zoonotic)感染。

人畜共通感染幾乎是20世紀及21世紀以來人類全球疫情的主要來源。狂牛症、瘧疾、水患而來的血吸蟲病及鉤端螺旋菌、鼠疫、愛滋病、SARS、禽流感等引起大疫情的疾病,其病原體幾乎都和環境及動物間的傳播有關。因此,監測環境中生物的病原,也成了世界衛生組織及各國疾病管制局最重要的任務。2003年引發恐慌的SARS,最後被證明其原始病毒本來存在於野生的蝙蝠,之後傳到市場的果子狸,最後再傳給人類。在這一連串的人畜傳播過程中,病毒為適應不同宿主的免疫攻擊,不斷演化,終至造成危害人類的傳染病。

與人畜共通病毒傳染的演變類似的是細菌的演變。第二單元的「細菌戰爭」其實也代表著抗生素發明以來醫學的勝利與困境。如上所述,細菌在抗生素的攻擊下,衍生出一系列針對細胞壁、蛋白質、核?酸等不同藥物的突變及抗藥性。現在金黃色葡萄球菌、腸球菌、結核分枝桿菌等許多病菌,都已出現這樣的情況,構成嚴重的威脅。目前在醫院中,尤其是加護病房,都存在著這些超級細菌,有5~20%的病人因住院而感染這些抗藥菌株,而必須以最後一線且昂貴的抗生素治療,但依然有很多人死於這些細菌造成的疾病。

在第三單元的「疫苗妙用」中,代表人類發現抗生素後另一項對抗微生物的法寶,即疫苗的開發。在人類醫學史上很多疫病的消失或控制,都有賴疫苗的發展,這是人類科學的勝利,天花、小兒麻痺等的絕跡或控制,都與疫苗的應用有關。對愛滋病及瘧疾的疫苗開發,並不成功,乃因病原體的突變過快,所開發出的疫苗無法應付這些狡猾的病原。人類的免疫系統雖然健全及完整,但整體免疫系統的弱點也在這些病原的攻擊下呈現出來。科學家正竭盡全力研究如何增強人體的免疫系統,例如以新佐劑去增強原始免疫系統中的樹突細胞(dendritic cell),以便活化T細胞,配合抗體的產生,聯合夾攻病毒,或對病毒引起的癌細胞提供免疫治療。

21世紀初繼人類基因組計畫完成之後,美國國家衛生研究院另外開啟微生物基因組的研究,其中最重要的成就,是發現人類腸道菌與益生菌之間的精采互動,也許可以為人類與微生物的互動提供發展應對方向及策略。醫學界開始利用對人體有益的細菌以對抗病原菌,或應用細菌毒素(例如肉毒桿菌毒素),來增進人類幸福。這也是本書第四單元「公衛焦點」與第五單元「五花八門新醫技」中,所嘗試要探討的主題,這些內容是21世紀生物科技的全新發展方向。

醫學的發展中,新創造的原理其實並不多,主要的還是去探討已存在的生物奧妙,進而提出良方去治療疾病。所有的發展都必須根植於細微的觀察、好奇心的驅使、科學能力的養成以及跨領域科技的應用方能成功。過去一百多年來的科學發展已告訴大家,匯集全人類的智慧是可以一步步解決微生物禍害,更進而藉由新科技去發現對人體有益的微生物及其產物,最終造福人類。

作者為國家衛生研究院感染症與疫苗研究所所長


推薦

這本特輯收集25篇與醫學發展有關的文章,從防治疾病到飲水加氟及人造器官、試管牙齒等與健康息息相關的知識,非常?得閱讀。《科學人》的文章一向圖文並茂,不但內容精采、深入淺出,生動易懂的插圖更讓一般民眾可以很容易了解先進的科學知識,甚至對在這些領域的專家也很有啟發性。這本書雖然是集結這幾年的文章,但我查閱最近有關的論文,並沒有發現更新的觀念或進展,它仍然提供了這些領域最好、最正確的知識,對年輕學子的學習特別重要。我建議中學及社區的圖書館都應購置它,來提昇我國的科學教育。──徐明達(陽明大學特聘講座、生化暨分子生物研究所教授)

《科學人》雜誌發行的《尖端醫學》特輯,集結了2003至2010年間,很多位國際知名學者的精采醫學科普文章,他們以流暢易懂的文筆、精緻豐富的圖解,深入淺出地介紹最新的醫藥新知。本書內容涵蓋傳染病防治、細菌戰爭、疫苗妙用、公衛焦點、創新醫技等,不僅讓一般讀者興趣盎然而獲益良多,也讓醫藥領域的讀者溫故知新而見賢思齊。近年來,台灣的醫藥科技研發蓬勃發展,給世人帶來平均壽命的延長和生活品質的提升,希望未來能看到台灣傑出科學家所撰寫的尖端醫學科普文章。──  陳建仁(中央究院副院長、基因體研究中心特聘研究員)

《科學人》雜誌結合科學趨勢與前瞻思維,有此科學與人文對話的平台實為廣大讀者的福氣。不同於其他科普期刊,《科學人》由編輯與各領域具代表性之專家合作,運用深入淺出的文字闡述科學新視野。10歲時它就已是我最喜愛的科普期刊。個人與《科學人》淵源深遠,1988年我為其寫了篇封面故事,分享免疫系統中的殺手細胞如何辨識與殺死目標,之後幾乎每10年我就為它寫篇文章,發表最新研究。很高興獲知《尖端醫學》特輯即將發行,其內容結合尖端技術與實用議題,相信必能為讀者開啟科學新思維。──楊定一(長庚大學奈米材料實驗室主持人、長庚生技董事長)

在人類歷史中,死於傳染病的人數不遜於死於戰爭的人數,而醫學對人類最大的貢獻就是抗生素的發現及疫苗的研發,終使人類脫離瘟疫的威脅,所剩下的就是一些難纏的細菌、寄生蟲、不斷出現的新病毒及抗藥細菌,尚待科學家持續與之搏鬥。《科學人》雜誌在過去10年介紹了許多有關傳染病的新知識,以及幹細胞、生醫材料等新醫學科技的進展,這些文章集結成為《尖端醫學》特輯。它淺顯易懂,引人入勝,讓我們更加了解對付傳染病的新武器,同時也是現代人了解現代醫學必讀的書。──賴明詔(中央研究院分子生物研究所特聘講座 )
總編輯的話:假作真時真亦假

「川普來了!」一聲大喊後,眾學生尖叫四散逃避。這是美國中學校園的新興遊戲,它的前身是大學校園裡的不安、憂傷和抗議。美國總統大選後,社會嚴重分歧,知識殿堂的反應倒是齊一:康乃爾大學的學生聚會,用哭喊來哀悼,職員們送上紙巾和熱巧克力;杜克大學和堪薩斯大學提醒學生,有輔導室和療癒狗可供撫慰;密西根大學提供黏土和著色繪本給學生紓壓。

校長們也紛紛寫公開信來安定師生:加州大學校長強調多元文化和包容是其驕傲,絕不容許偏狹的言論損及這核心原則;哈佛大學校長說這令人震驚的結果已危及國家及人類價值,400年來哈佛學者度過重重難關,現在輪到這一代勇於承擔了;麻省理工學院校長指出,謙遜、積極和追求真相的科學狂熱是立校精神,沒有任何事可以改變我們對氣候變遷、潔淨能源、網路安全和人類健康的承諾。這些話語都直指對新總統川普的不信任,因為他宣稱氣候變遷是騙局,要解除開採化石燃料的限制,公開指責接種疫苗會導致自閉症,也認為抽菸和肺癌無關。科學界當然擔心這位反科學的新領導人,會大幅刪減科研經費。

在這資訊時代,知識普及本該理所當然,但對科學而言並非如此。浮誇、偏頗與禁錮成了鴻溝,〈科學新聞:從實驗室到你我之間〉是這期《科學人》的專題企劃。期待普羅大眾有更多的科學知識,進而支持資助,首要條件是對科研有信心。求真本是科學的基本精神,對同一現象可以暫時有不同解讀,等待後續的反覆驗證。但要不得的是捏造數據,這是當前台灣社會對學術界的嚴厲批判話題。

最近我迷上了古陶瓷,因緣際會,也蒐藏了一些歷朝的代表作,時時撫之,深感歷史文化的充實與滿足。按著書本看它們的時代特徵,樣樣符合判真標準,例如哥瓷的紫口鐵足和金絲鐵線、鈞瓷的釉變和蚯蚓走泥紋、定瓷的芒口和淚痕等。這些都是珍稀的寶物,中國歷代匠師努力仿製,但都難達宋代境界,怎麼輕易進了我書房?讀了吳樹的警世採訪錄《誰在收藏中國》,更驚覺古玩領域之水深了。他直擊假文物製造基地,不識字的貧農和現代窯廠都能做出鑑定專家和高科技檢驗不出的仿真品!假作真時真亦假,《紅樓夢》中賈寶玉可以神遊太虛境,作假在學術研究卻是一條不歸路。台灣的科學家們,千萬別重蹈假文物的千年騙局。

 神秘的時間流

 

  從不變的過去到真實的現在乃至不確定的未來,時間好似無情地一直流動流動流動流動流動流動……

 

  但在物理的地圖裡,時間卻是一幅盡收眼底的風景畫。沒有任何東西消逝成為過去,也沒有任何東西從未來向你逼近;川流不息的時間流,其實,只是幻象。

 

  撰文/戴維斯(Paul Davies)

 

  翻譯/高湧泉

 

  "Gather ye rosebuds while ye may,/ Old Time is still a-flying."

 

  「采采薔薇,及其未萎;日月其邁,韶華如飛。」

 

  17世紀英國詩人赫里克(Robert Herrick)的這句詩正講出了舉世皆然的老生常談:時光飛逝。有誰會懷疑這一點嗎?時間的流動可能是人類知覺中最基本的面向,因為在我們內心最深處對於時間流逝的體會,其感受之深,程度遠超過對於空間或質量之類的體驗。時間的流動常被比擬成飛箭或不舍晝夜的流川,它冷酷地把我們從過去帶往未來。這就是為何莎士比亞會寫到「時運的變遷」,而他的同胞馬維爾(Andrew Marvell)則要說「時間的飛輪急促地逼近」了。

 

  儘管這些影像如此鮮明,它們卻和一個深奧且令人震撼的弔詭相互衝突:在已知的物理知識中,找不到時間流動這個概念。物理學家堅持,時間根本就不會流動,時間就只是時間而已;而某些哲學家則主張,時間流動這個概念根本沒有意義,所謂的時間之河或是時間之流,純然是基於錯誤的觀念。我們在物理世界中那麼基本、那麼實在的體驗,怎麼可能是建立在錯誤的認知上呢?或者,時間還有什麼重要的性質,是科學家尚未發現的?

 

  時間不是本質

 

  在日常生活中,我們一向會把時間分成過去、現在、未來三個部分,而某些語言的文法時態就是奠基於這項基本區分。「事實」所牽涉到的,就是現在這一個時刻,而過去已不復存在,未來則更為模糊——其細節都還沒有形成。在這樣的圖像裡,知覺中的「現在」正穩定地向前滑行,把尚未成形的未來事件落實為現在的事實;而這些事實稍縱即逝,一下子就歸屬於「過去」了。

 

  無論這樣的描述看起來有多麼合理,它與近代物理卻有嚴重牴觸。愛因斯坦在給朋友的信中,有這麼一句著名的話:「過去、現在、未來的區分只不過是幻象而已,雖然這的確是很頑強的幻象。」這個令人驚訝的結論,正來自愛因斯坦自己的相對論。在理論中,「現在」並不是絕對的,沒有任何普遍性的意義,而所謂的「同時」其實是相對的。從某個參考坐標系來看,同時發生的兩個事件,對於另一坐標系而言,可能就發生於不同的時刻。

 

  「火星上現在正發生什麼事?」似乎是個非常單純的問題,但它其實並沒有明確的答案。關鍵就在於地球與火星相距甚遠,以光速前進就要花上約20分鐘。因為訊息不會走得比光更快,地球上的觀察者便無從得知火星當下的情況。只有在事件發生過後,觀察者才能從火星傳到地球的光線推論出答案,而這些事件的答案還會隨著觀察者的速度有所改變。

 

  譬如說,在未來的一次火星探險任務中,地球上的任務管制人員也許會問:「不知道α基地的瓊絲指揮官正在做什麼?」地球上的時鐘顯示,火星這時正是中午12點,所以瓊絲應該在吃午餐。但是對於另外一位正以近乎光速通過地球的太空人來說,依據他前進的方向,他身上的時鐘會顯示火星上此刻要比中午12點更早或更晚。所以對於這個問題,正通過地球的太空人的答案就會是「正在煮飯」或「正在洗碗」(參見47頁〈一切都是相對的〉)。所以任何想賦予「現在」特殊地位的企圖,註定會徒勞無功,因為我們得先弄清楚指的是誰的「現在」?假設你和我有相對運動,那麼,對我而言未來尚未發生的事件,對你來說可能已經在過去確定的某一時刻出現了。

 

  因此最直截了當的結論,就是過去與未來其實都是已經確定的。也因為這樣,物理學家喜歡將時間整個鋪展開來,把所有過去與未來的事件都放在一幅時間圖裡,就好像風景畫一樣。這樣的看法有時稱為「時間塊」(block time)。在描述自然界的時候,我們從來沒有在時間的風景畫中挑出某一特定時段來作為「現在」,而且也沒有任何過程可以將未來的事件有系統地轉變為現在,繼而轉變為過去事件。換言之,物理學家的時間是不會流動的。

 

  時光如何不飛逝?

 

  從古到今,有不少哲學家在仔細斟酌了一般人所認知的時間流動之後,也獲得同樣的結論。他們認為這個概念有內在矛盾:畢竟,流動這觀念所指涉的是運動,所以談論真實物體的運動是合理的。如果我們拿物體實際運動的例子來解釋就會更加明白了,例如飛箭穿越過空間時,我們便可測量飛箭的位置如何隨時間變化;但我們能對時間本身的運動賦予什麼意義呢?它是相對於什麼在動呢?其他類型的運動會將不同的物理過程連接起來,但設想中的時間流只是讓時間與自身發生關聯。我們只要簡單一問:「時間流得有多快?」就可以暴露出這想法的荒謬,因為「每秒流過一秒」這個淺顯的答案一點意義也沒有。
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