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台灣能源轉型進行式ing..... 【綠能科技聯合研發計畫】再生能源點亮創能、儲能應用大未來（05/18/2021 天下雜誌）

文: 台灣經濟研究院

創能技術開發著重提升綠色能源能量與降低成本

創能領域前瞻綠能技術開發配合發揮臺灣太陽光電與離岸風力等再生能源特色，透過提升電池模組效率趨動太陽光電成本下降，以及利用智慧平台系統助於離岸風場海事工程量測與運維，降低風場運維成本，以提升產業競爭力。

開發高效率、低成本、超輕量之太陽能電池技術

提升太陽能電池效率已刻不容緩，成功大學陳引幹教授團隊運用原子層沉積技術，沉積不同氧化物材料膜層於堆疊型太陽能電池中，以優化各膜層厚度、品質與材料純度等，進一步提升太陽能電池品質。中央大學許晉瑋教授與劉正毓教授團隊以軟性三五族太陽能電池收集室外光源，提供智慧模組(溫度感測器與藍芽)足夠電能回送電子訊號，朝向智慧模組「自我維持」前進。

在降低成本方面，大葉大學黃俊杰教授團隊利用非真空設備取代電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、用原子層沉積設備(ALD)以及銅漿料取代銀漿料達成低成本射極鈍化及背電極(PERC)太陽能電池開發。成功大學張桂豪副研究員與李文熙教授團隊創新製程置換太陽能鋁電極，以低成本空氣燒結銅電極應用於高效率雙面太陽能電池，將有效降低太陽能電池成本支出，增加產業獲利能力。

隨著太陽光電產能市場逐漸飽和，相關企業轉型尋求高效率與超輕量太陽能模組，以無人機應用為例，臺灣大學藍崇文教授團隊替無人機縫製出可以吸收太陽光轉成電力的衣裝，賦予偵查、通訊等任務。臺灣大學林清富教授團隊開發適合於固定翼無人機之輕量太陽能模組的大面積(30x150 cm2)太陽光模擬器，於宜蘭大學城南校區建置可供太陽能無人機測試起降與飛行場域。

兼具發電及產氫之仿生創能技術

氫能源為一種乾淨、能量密度高、環保零汙染、應用廣泛與取得容易的新能源，仿生電池即是透過模仿植物光合作用，為既能製氫又能發電的多功能太陽能系統。清華大學嚴大任教授團隊開發氫氣光電催化的催化劑由鉑金轉換為更具有普及性且兼具效能的材料，透過電漿子結構來強化二硫化鉬與日光光場交互作用，增加光能轉化為氫能的效率。中央大學王冠文教授團隊則建置高效穩定低成本之雙效產氫產電系統，利用其太陽能轉換再生電力進行光電催化分解水產氫並儲存，達到能源永續發展之概念。

智慧平台系統助於離岸風場海事工程量測與運維

面對臺灣附近海域高溫、高濕、多颱風與地震頻繁的特有地理環境，以及海上嚴苛條件，成功大學林大惠教授團隊開發離岸觀測塔風向定向系統，可降低量測成本、提高觀測準確性與量測效率，有助於離岸風場開發之海事工程量測。臺灣大學蔡進發教授團隊著重開發離岸風場運維大數據智慧平台，提供數據及開發各種量測技術，達到風機早期診治、早期預防功效，以期降低運維成本。

儲能技術開發著重高效能、高安全、具經濟性以支持各種儲能應用

隨著電力系統快速發展，電力儲存設備的布建應隨之增加其靈活度，以確保間歇性再生能源的儲存整合，促進電力供應端和儲存之間高效率的轉換。而儲能領域當中，又以先進二次電池與先進氫能為基礎核心發展項目。

開發高能量與高安全之固態電池技術

為進一步提升儲能電池安全與效率，全固態鋰電池已經成為研發主流。研究方向多針對電池正極、負極、以及電解質創新材料與設計，進一步提升能量密度需求與提高電池系統的總體能量。

正極材料方面，大同大學林正裕教授團隊開發具可量產層狀富鋰錳基正極材料合成技術，同時透過離子摻雜技術穩定其正極材料之晶體結構、改善材料的離子導電度，進而提升其電池穩定性及電容量。

負極材料方面，清華大學杜正恭教授團隊採用太陽能板製成切削的廢料矽，將此進行高值化做成鋰電池的負極材料，並用交聯反應開發矽負極黏結劑，以共沉澱法、自身氧化還原法進行正極材料開發參雜改質，提升鋰離子電池的循環壽命和快速充放電的能力。交通大學陳智教授團隊利用電鍍雙晶銅箔作為矽基負極材料的基板，配合富鎳層狀氧化物正極構成鋰電池，提升鋰電池的整體能量密度，提供各項裝置或載具更好的續航力。

電解質材料方面，明志科技大學楊純誠教授團隊主要開發鋰鑭鋯氧氧化物固態電解質，並將其應用在NCM811陰極材料上，最終組裝成鈕釦型及軟包型電池。成功大學方冠榮教授團隊開發高緻密性鈣鈦礦、橄欖石、石榴子石結構氧化物及硫化物電解質，以及具獨特性金屬、非金屬中介層，有效降低固態電解質/電極介面阻抗。臺灣科技大學王復民教授團隊研發固態電解質具環保水溶性，有低成本與綠色製程之特性，且能有效改善固體接觸的介面問題，可製備成高容量、輕量化與高性能二次電池。臺灣大學鄭如忠教授團隊深入探討高分子固態電解質，藉由合成改質方式可提供具彈性的高分子，進一步利用後調整加入鋰鹽的種類及添加劑，使研發的高分子固態電解質更符合商用規格。

兼具發電及產氫之仿生創能技術

氫能可作為重要儲能技術研發之原因，乃因其最終可實踐潔淨能源，提供眾多行業(如化工、鋼鐵重工及長途運輸等行業)有效脫碳方法，降低碳排放量，改善空氣品質並加強能源安全。且相對其他儲能系統，氫能另一大優勢為其電轉氣儲能系統有儲存量大以及放電時間長的特性。

行政院原子能委員會核能研究所長久以來專注於氫能領域。張鈞量博士團隊開發大氣電漿噴塗製備金屬支撐型固態氧化物燃料電池之可量產技術驗證，可進行大面積(10╳10 cm2)金屬支撐型固態氧化物燃料電池片之生產；余慶聰副研究員團隊利用新型產氫技術結合二氧化碳捕獲技術，使用低成本觸媒生產95%以上的氫氣，省去複雜的純化處理，大幅降低氫氣製造門檻；李瑞益研究員團隊則是著重於開發固態氧化物燃料電池發電系統，可直接將燃料如氫氣、瓦斯或天然氣轉換為電力，並將餘熱回收再利用，具有高能源轉換效率。

燃料電池方面，中央大學李勝偉教授團隊開發中低溫操作的陶瓷電化學儲能電池，所使用的關鍵電解質材料可使操作溫度降到400-700℃區間，且開發關鍵電解質、氫氣電極與空氣電極材料性能與微結構設計，利用靜電紡絲技術製作空氣電極材料奈米纖維，並成功與電解質相互整合，可提升單電池性能14.1%。

儲存氫氣方面，清華大學陳燦耀副教授與曾繁根教授團隊選擇碳材料進行儲氫研究，以零模板水熱碳化法合成出奈米碳球，最後輔以奈米金屬修飾產生之氫溢流效應(Spillover Effect)，提升氫氣吸附效能。

製造氫氣方面，臺北科技大學鄭智成教授團隊致力研發低成本、高穩定度、高效率之中溫固態氧化物電解電池電極材料，另外開發新型氨氣裂解觸媒技術，大幅改善現有氨裂解觸媒反應速率過慢之缺點。中興大學楊錫杭教授團隊則開發非貴金屬觸媒應用於水電解觸媒，以降低裝置成本，並且研發陰離子交換膜和膜電極組，使效率能有效提升。臺灣大學謝宗霖教授團隊發展具突破性之太陽能電解水產氫技術，以低成本、易量產、高效率的鈣鈦礦─矽晶疊層太陽能電池進行電解水產氫，並達到具競爭力之太陽能轉氫能效率水準(10-15%)。而臺灣科技大學胡蒨傑教授研發適於氫氣分離的複合薄膜，藉由熱力學與動力學的基礎理論調控薄膜成膜機制，開發高孔隙度且結構穩定的基材膜，結合優異特性的基材膜及選擇層。

綠色能量持續擴散，協助臺灣繼續邁進成為「亞洲綠能發展中心」

科技部「綠能科技聯合研發計畫」藉由學研界前瞻創新研發能量，推動新能源及再生能源之科技創新，進一步擴大產學研界連結之效益，積極延續科研成果落實產業應用，以期為我國綠能產業布建機會，並協助政府達成能源轉型，且透過綠能科技發展躍身國際舞台。

完整內容請見：
https://www.cw.com.tw/article/5114845

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今天的故事主角，是 1981 年諾貝爾生醫獎的得主。這一年的諾貝爾生醫獎得主有三位，分別是史派瑞（Roger Sperry）、休伯爾（David Hubel）、以及威澤爾（Torsten Wiesel）。他們的共通點就是：都和貓有關！

說到跟貓有關，大家可能已經猜到是怎麼一回事。沒錯，就是拿貓來做實驗。拿一般常見的寵物（如：貓）來做實驗，大家直覺可能覺得有一點殘忍、不人道。

但，為什麼用果蠅或老鼠作實驗，大家可能覺得還好，用貓或狗做實驗，卻會覺得不道德呢？我們今天暫時不討論這問題背後的哲學和倫理議題，今天要來深入介紹的，是「貓」的做腦神經科學實驗到底發現了什麼結果，可以讓這三位科學家拿到諾貝爾獎。


《大腦好好玩》第九集聲音＋文字版：
https://voice.mirrorfiction.com/single/20200129cul001


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休伯爾和與三神器
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首先要介紹的，就是休伯爾和威澤爾。休伯爾在 1926 年生於加拿大，1947 年大學畢業後，決定進入醫學院。早年的休伯爾對神經生理學非常有興趣，但是他是醫學背景出身，對於神經電生理的實驗方法一竅不通，因此在早期的實驗學習過程中不斷碰壁，尤其是當他需要把電極插入神經細胞中以記錄神經活動的時候，總是屢戰屢敗。


很快地，休伯爾就明白：如果要成功的記錄神經細胞的活動，一定要具備三項利器才行。


第一，這個電極必須要非常的細，因為電極要夠細，才能精準的插入神經細胞之中；如果電極太粗，它插到大腦中就只是胡亂破壞而已，根本測量不到任何神經活動。


第二，這個很細的電極必須夠硬，因為要夠硬，才能一路穿刺過大腦組織並仍保持電極的完整。


第三，要有精準的機械來輔助穿刺的動作，若只是用手動來穿刺，很容易出現誤差而導致失敗。


關於這三項利器，喜歡親自動手做實驗的休伯爾很快就找到了方法。


首先，在因緣際會之下，他學到了一項利用電解方式來溶解鎢絲的技術，這種方式可以讓鎢絲的尖端變得非常尖銳，因此解決了電極必須夠細的問題。


第二，鎢這種金屬的硬度非常高，所以也解決了電極必須夠硬的問題。


第三，休伯爾最後發明了一種用液體液壓方式來緩慢逐步推進電極的機器，因此也解決了穿刺不精準的問題。


有這三項神器在手，休伯爾終於可以順利記錄神經細胞的活動，也開始準備展開他的科學問題探索。剛好就在這個時期，這三項神器也讓休伯爾小有名氣，很多世界各地的科學家都來和他學習這項技術，而前來學習技術的其中一位科學家，就是 Torsten Wiesel，威澤爾。


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克夫勒與神經節細胞
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1958 年，意氣相投的休伯爾和威澤爾在約翰霍普金斯大學再度相遇。他們兩人當時一起在克夫勒（Stephen Kuffler）的實驗室之下進行研究。


這位克夫勒，也是大名鼎鼎的一號人物，他常被視為是現代神經科學之父，也是後來哈佛大學神經生物學系的創立學者。當年克夫勒最知名的發現之一，就是他發現「貓的視網膜神經節細胞的接受域，具有像甜甜圈、或是像同心圓一樣的結構」。


光是這句話，裡面的資訊量就相當渾厚。我們要來幫大家拆解一下，這句「貓的視網膜神經節細胞的接受域，具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構」到底是什麼意思。


首先是「視網膜神經節細胞」。大家都知道視網膜上有感光細胞，這些感光細胞在接收到訊息之後，會把訊息傳入大腦；不過在傳入大腦之前，會先經過一些神經細胞，這其中就包括了「神經節細胞」（Ganglion cell）細胞，它們也位於視網膜上。


克夫勒當年的傑作之一，就是記錄這些視網膜上的神經節細胞，看看他們的「接受域」（receptive field）長什麼樣子。所謂的接受域，就是當施以刺激時，可以讓神經細胞產生反應的特定區域；換句話說，就是一個神經細胞可以接收到刺激的區域範圍。


用實際的例子來解釋，就是：我們可以隨便選擇視網膜上的一個神經節細胞，來記錄它的神經活動。接下來我們就可以問，視網膜哪些地方出現光的時候，這個神經節細胞會出現反應呢？這個神經節細胞，會對整個視網膜上的任何一個部位的光照都有反應？還是只會對某些特定的局部區域上的光照有反應？如果是只對特定局部位置的光照有反應，那到底是哪些區域？這個區域是圓形？方形？還是不規則形呢？


接下來的實驗過程很簡單，我們如果想要知道這個神經節細胞的接受域有多大、長什麼樣子，就可以拿一個小光點逐一去照視網膜上的每一個部位，看看照到哪邊的時候，這個神經節細胞會出現反應，最後把視網膜上的這些部位整理出來，就知道這個神經節細胞的接受域長什麼樣子了。


透過這樣的方法，克夫勒發現：視網膜上的神經節細胞的接受域，長得像是甜甜圈形式的同心圓；也就是說，如果我們把某一個神經節細胞的接受域直接標記在視網膜上，這個接受域的形狀就像是甜甜圈那樣的同心圓（或有點像舊版的五十元硬幣那樣的形狀，中間有金色圓形，外圍則是銀色一圈）。


當光照在「甜甜圈的麵包區域」時（也就是五十元硬幣周圍的銀色區域），這個神經節細胞就會活化；但如果把光照在甜甜圈的中央空洞部位（或五十元硬幣的中央金色部位），這個神經節細胞就會被抑制。這種神經節細胞被稱為是「中央關閉周圍啟動」細胞（off-center cell）。


還有另一種完全相反的神經節細胞，是當光照在接受域的正中央時會活躍，但當光照接受域的邊緣地區時則會抑制，這種神經節細胞被稱為是「中央啟動周圍關閉」細胞（on-center cell）。


克夫勒的知名科學貢獻，也就是發現了「貓的視網膜神經節細胞的接受域，具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構。」而當休伯爾和威澤爾在克夫勒實驗室中，拿著他們集三項神器於一身的探針儀器，準備找尋新的一批神經細胞下手時，自然就想到了一個問題：「如果視網膜上的神經節細胞的接受域具有同心圓結構，那大腦中的神經細胞的接受域，是不是也有類似的同心圓結構？」


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馬戲雜劇舞台和不斷的失敗
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休伯爾和威澤爾馬上就開始進行實驗量測。他們原本以為，有集三神器於一身的測量探針在手，應該可以馬上解答這個問題；沒想到，迎接他們的竟是一連串的挫折與失敗。


他們一開始使用的都是克夫勒的實驗設備；比方說，克夫勒用了一種貓咪頭部固定器來固定貓咪的頭部時，使貓的頭稍微朝上仰，貓的眼睛才能朝上以便實驗人員觀察光點究竟是投射在視網膜的哪一個位置。此外，由於以前的實驗都是使用圓形光點，而視網膜中的神經節細胞也似乎很喜歡這種形式的光，所以休伯爾和威澤爾當然也就順理延用。


沒想到，這些前人的成功設備和方法，到了他們手上卻一點都不管用，他們不管怎麼照貓的視網膜，視覺皮質中的神經細胞都完全不為所動。


他們記錄的第一個細胞，叫做「細胞第三千號」。之所以稱為「三千號」，是因為隔壁實驗室有另一位神經電生理學領域的世界權威 ── 蒙克梭（Vernon Mountcastle），當時他已經記錄過超過 900 顆以上的細胞；休伯爾和威澤爾知道自己再怎麼努力也追不上這個數字，只好採用阿Q精神來自我激勵一下，直接把自己記錄的第一個細胞命名為第 3000 號，第二顆就是第 3001 號。


當蒙克梭來關心他們的實驗時，他們一定會刻意報出細胞的編號，來試圖加深蒙克梭對他們的印象。雖然有這段好笑的插曲，但是不管細胞的名字怎麼取，一個月之後，他們仍然毫無所獲，這些細胞對圓形光點毫無反應。


最後，他們終於受不了，決定改變方法。他們發現，視網膜雖不是很大，但是以小小的光點逐一照視網膜，也需耗費很久的時間；而且，他們常常照到最後卻忘了自己哪個區域曾經照過。所以，應該需要換個方法才會比較有效率。


於是，他們決定放棄使用光點來照視網膜，改成直接讓貓咪去看投影螢幕上的影像；換句話說，他們想要直接在螢幕上投影，看看貓的視覺皮質中的神經細胞在看到什麼樣的圖樣刺激時會產生反應。


那要怎麼投影呢？剛剛我們曾提到，克夫勒有一個可以固定貓咪頭部的特殊固定器，它可以讓貓咪的頭和眼睛往上仰。當時因為沒有其他的固定器，休伯爾和威澤爾只好繼續使用這種固定器。為了配合貓咪的視線仰角，投影用的螢幕只能擺到天花板上才行；也因此，當時整個實驗室的天花板上放了很多竹竿跟白布，看起來就像是馬戲雜劇團的現場一樣。另外，所有人做實驗也通通要被迫配合貓咪的視線仰角，必須累得半死的一直抬頭仰望。


然而，即使換了這樣的投影方式，仍然一無所獲。他們測試過各種形狀和不同大小的光點，測試過不同的投影位置，這些視覺皮質中的神經細胞完全不為所動。他們甚至試過正妹圖，結果一樣，這些細胞總是宛如死水一灘。


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意外的發現
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當時，神經科學家都習慣把神經活動連接到音響上，只要一記錄到細胞活動，就可以聽到聲音。有一天，他們在記錄一顆視覺皮質中神經細胞時，仍採用投影片來投射圓形黑點，但是測了好幾個小時都鴉雀無聲；當他們在更換刺激材料時候，突然之間，這個細胞有如機關槍一樣槍聲大作！


這一串機關槍響後，大家先是一陣錯愕，不敢動彈，然後馬上開始尋找到底是剛剛什麼動作所造成的。在經過幾次測試後，終於謎底揭曉 ── 原來，這顆細胞是對投影片邊緣上的「直線」有反應！


當他們更換投影片的刺激時，投影片的直線邊緣會在視網網上造成直線的投影，而這種直線就是這種神經細胞所喜歡的圖形；另外，休伯爾和威澤爾還發現，這顆神經細胞只對某個特定傾斜角度的直線有反應，如果不是這個傾斜角度的直線，這顆細胞就不會有反應。


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簡單細胞
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現在我們把這種細胞稱為「簡單細胞」（simple cell）。為什麼視覺皮質裡的簡單細胞會喜歡直線？會有這種直線形態的接受域呢？大家其實只要仔細想一想，如果我們把視網膜上的神經節細胞的接收域連結整合起來，會出現什麼型態？就可以理解其中的道理了。


視網膜上的神經節細胞的接收域是小的圓形，如果把好幾個圓形排成一排串起來，是不是就會得到一條直線呢？視覺皮質中的神經細胞，基本上就是接收了一整排來自視網膜的神經節細胞的訊號，也因此，其接受域也大致就是這一排視網膜神經節細胞接受域的集合。


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複雜細胞
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除了這些簡單細胞之外，休伯爾和威澤爾後來還發現了另一些細胞，比方說「複雜細胞」（complex cell）。這種複雜細胞的接收域很有趣，只有特定傾斜角度的直線往特定方向移動時才會反應，例如某個複雜細胞可能只會在視野中出現往下移動的水平直線時才會活躍。


這種複雜細胞又是怎麼回事呢？為什麼會出現這種形式的接受域呢？有些聰明的聽眾可能已經想到答案了 ── 這種複雜細胞，基本上就是接收了來自一整排簡單細胞的訊息。只要這一整排簡單細胞依照時間順序依序反應，這個複雜細胞就會反應。


比方說，當視野中出現往下移動的水平直線時，就會有一整排對水平線有反應的簡單細胞依序變得活躍，而這一整排的訊號依序傳入這顆複雜細胞後，就可啟動這顆複雜細胞。


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大腦一關一關的逐步整合訊息
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以上，就是休伯爾和威澤爾的故事。我們至少可以從這個故事中學到兩件重要的事。第一件事，是大腦運作的原理；第二件事，是科學運作的方式。


關於第一件事：大腦運作的原理，上述發現解釋了大腦如何在簡單的「分析」和「整合」之後，從視網膜到視覺皮質的短短幾道程序，就出現了由簡單到逐漸複雜的訊息處理過程。


視網膜第一關有「感光細胞」，經過簡單的區域彙整之後，到了視網膜下的「神經節細胞」就已經可以處理圓形；到了「視覺皮質」，就可以再把一些排成一線的圓形整合起來，處理直線和傾斜角度；再到下一關，把一排直線依照時間順序整合起來，就可以處理方向動態了。


所以說，我們處理複雜圖形的方式之一，或許就是透過這樣的資訊拆解，然後再逐步整合而已！畢竟，再複雜的圖樣，也可以拆解成圓形、直線和動態的組合，最後被大腦輕鬆處理。


第二件事，是關於科學運作的方式。許多人常常會說，休伯爾和威澤爾的發現，就是「偶然勝過努力」的例子！但是事實上，休伯爾自己並不認為這只是偶然的發現。


休伯爾認為，他們的發現確實是出乎他們的預期，但是卻一點都不偶然，因為他們已經嘗試過各式各樣的可能錯誤，當各種可能的錯誤都試過之後，成功的可能性自然就會增加。他們以靈活而非制式死板的方式進行實驗，可能就是意外結果得以出現的關鍵。雖然神經細胞的運作方式最後出乎他們的預期，但是這樣的發現總歸是多元努力嘗試後的結果，可不是偶然在街上就可以瞥見的喔！


貓的諾貝爾獎故事還沒完，敬請期待下週《大腦好好玩》第一季最後一集：裂腦貓！

今天的故事主角，是 1981 年諾貝爾生醫獎的得主。這一年的諾貝爾生醫獎得主有三位，分別是史派瑞（Roger Sperry）、休伯爾（David Hubel）、以及威澤爾（Torsten Wiesel）。他們的共通點就是：都和貓有關！

說到跟貓有關，大家可能已經猜到是怎麼一回事。沒錯，就是拿貓來做實驗。拿一般常見的寵物（如：貓）來做實驗，大家直覺可能覺得有一點殘忍、不人道。

但，為什麼用果蠅或老鼠作實驗，大家可能覺得還好，用貓或狗做實驗，卻會覺得不道德呢？我們今天暫時不討論這問題背後的哲學和倫理議題，今天要來深入介紹的，是「貓」的做腦神經科學實驗到底發現了什麼結果，可以讓這三位科學家拿到諾貝爾獎。


《大腦好好玩》第九集聲音＋文字版：
https://voice.mirrorfiction.com/single/20200129cul001


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休伯爾和與三神器
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首先要介紹的，就是休伯爾和威澤爾。休伯爾在 1926 年生於加拿大，1947 年大學畢業後，決定進入醫學院。早年的休伯爾對神經生理學非常有興趣，但是他是醫學背景出身，對於神經電生理的實驗方法一竅不通，因此在早期的實驗學習過程中不斷碰壁，尤其是當他需要把電極插入神經細胞中以記錄神經活動的時候，總是屢戰屢敗。


很快地，休伯爾就明白：如果要成功的記錄神經細胞的活動，一定要具備三項利器才行。


第一，這個電極必須要非常的細，因為電極要夠細，才能精準的插入神經細胞之中；如果電極太粗，它插到大腦中就只是胡亂破壞而已，根本測量不到任何神經活動。


第二，這個很細的電極必須夠硬，因為要夠硬，才能一路穿刺過大腦組織並仍保持電極的完整。


第三，要有精準的機械來輔助穿刺的動作，若只是用手動來穿刺，很容易出現誤差而導致失敗。


關於這三項利器，喜歡親自動手做實驗的休伯爾很快就找到了方法。


首先，在因緣際會之下，他學到了一項利用電解方式來溶解鎢絲的技術，這種方式可以讓鎢絲的尖端變得非常尖銳，因此解決了電極必須夠細的問題。


第二，鎢這種金屬的硬度非常高，所以也解決了電極必須夠硬的問題。


第三，休伯爾最後發明了一種用液體液壓方式來緩慢逐步推進電極的機器，因此也解決了穿刺不精準的問題。


有這三項神器在手，休伯爾終於可以順利記錄神經細胞的活動，也開始準備展開他的科學問題探索。剛好就在這個時期，這三項神器也讓休伯爾小有名氣，很多世界各地的科學家都來和他學習這項技術，而前來學習技術的其中一位科學家，就是 Torsten Wiesel，威澤爾。


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克夫勒與神經節細胞
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1958 年，意氣相投的休伯爾和威澤爾在約翰霍普金斯大學再度相遇。他們兩人當時一起在克夫勒（Stephen Kuffler）的實驗室之下進行研究。


這位克夫勒，也是大名鼎鼎的一號人物，他常被視為是現代神經科學之父，也是後來哈佛大學神經生物學系的創立學者。當年克夫勒最知名的發現之一，就是他發現「貓的視網膜神經節細胞的接受域，具有像甜甜圈、或是像同心圓一樣的結構」。


光是這句話，裡面的資訊量就相當渾厚。我們要來幫大家拆解一下，這句「貓的視網膜神經節細胞的接受域，具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構」到底是什麼意思。


首先是「視網膜神經節細胞」。大家都知道視網膜上有感光細胞，這些感光細胞在接收到訊息之後，會把訊息傳入大腦；不過在傳入大腦之前，會先經過一些神經細胞，這其中就包括了「神經節細胞」（Ganglion cell）細胞，它們也位於視網膜上。


克夫勒當年的傑作之一，就是記錄這些視網膜上的神經節細胞，看看他們的「接受域」（receptive field）長什麼樣子。所謂的接受域，就是當施以刺激時，可以讓神經細胞產生反應的特定區域；換句話說，就是一個神經細胞可以接收到刺激的區域範圍。


用實際的例子來解釋，就是：我們可以隨便選擇視網膜上的一個神經節細胞，來記錄它的神經活動。接下來我們就可以問，視網膜哪些地方出現光的時候，這個神經節細胞會出現反應呢？這個神經節細胞，會對整個視網膜上的任何一個部位的光照都有反應？還是只會對某些特定的局部區域上的光照有反應？如果是只對特定局部位置的光照有反應，那到底是哪些區域？這個區域是圓形？方形？還是不規則形呢？


接下來的實驗過程很簡單，我們如果想要知道這個神經節細胞的接受域有多大、長什麼樣子，就可以拿一個小光點逐一去照視網膜上的每一個部位，看看照到哪邊的時候，這個神經節細胞會出現反應，最後把視網膜上的這些部位整理出來，就知道這個神經節細胞的接受域長什麼樣子了。


透過這樣的方法，克夫勒發現：視網膜上的神經節細胞的接受域，長得像是甜甜圈形式的同心圓；也就是說，如果我們把某一個神經節細胞的接受域直接標記在視網膜上，這個接受域的形狀就像是甜甜圈那樣的同心圓（或有點像舊版的五十元硬幣那樣的形狀，中間有金色圓形，外圍則是銀色一圈）。


當光照在「甜甜圈的麵包區域」時（也就是五十元硬幣周圍的銀色區域），這個神經節細胞就會活化；但如果把光照在甜甜圈的中央空洞部位（或五十元硬幣的中央金色部位），這個神經節細胞就會被抑制。這種神經節細胞被稱為是「中央關閉周圍啟動」細胞（off-center cell）。


還有另一種完全相反的神經節細胞，是當光照在接受域的正中央時會活躍，但當光照接受域的邊緣地區時則會抑制，這種神經節細胞被稱為是「中央啟動周圍關閉」細胞（on-center cell）。


克夫勒的知名科學貢獻，也就是發現了「貓的視網膜神經節細胞的接受域，具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構。」而當休伯爾和威澤爾在克夫勒實驗室中，拿著他們集三項神器於一身的探針儀器，準備找尋新的一批神經細胞下手時，自然就想到了一個問題：「如果視網膜上的神經節細胞的接受域具有同心圓結構，那大腦中的神經細胞的接受域，是不是也有類似的同心圓結構？」


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馬戲雜劇舞台和不斷的失敗
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休伯爾和威澤爾馬上就開始進行實驗量測。他們原本以為，有集三神器於一身的測量探針在手，應該可以馬上解答這個問題；沒想到，迎接他們的竟是一連串的挫折與失敗。


他們一開始使用的都是克夫勒的實驗設備；比方說，克夫勒用了一種貓咪頭部固定器來固定貓咪的頭部時，使貓的頭稍微朝上仰，貓的眼睛才能朝上以便實驗人員觀察光點究竟是投射在視網膜的哪一個位置。此外，由於以前的實驗都是使用圓形光點，而視網膜中的神經節細胞也似乎很喜歡這種形式的光，所以休伯爾和威澤爾當然也就順理延用。


沒想到，這些前人的成功設備和方法，到了他們手上卻一點都不管用，他們不管怎麼照貓的視網膜，視覺皮質中的神經細胞都完全不為所動。


他們記錄的第一個細胞，叫做「細胞第三千號」。之所以稱為「三千號」，是因為隔壁實驗室有另一位神經電生理學領域的世界權威 ── 蒙克梭（Vernon Mountcastle），當時他已經記錄過超過 900 顆以上的細胞；休伯爾和威澤爾知道自己再怎麼努力也追不上這個數字，只好採用阿Q精神來自我激勵一下，直接把自己記錄的第一個細胞命名為第 3000 號，第二顆就是第 3001 號。


當蒙克梭來關心他們的實驗時，他們一定會刻意報出細胞的編號，來試圖加深蒙克梭對他們的印象。雖然有這段好笑的插曲，但是不管細胞的名字怎麼取，一個月之後，他們仍然毫無所獲，這些細胞對圓形光點毫無反應。


最後，他們終於受不了，決定改變方法。他們發現，視網膜雖不是很大，但是以小小的光點逐一照視網膜，也需耗費很久的時間；而且，他們常常照到最後卻忘了自己哪個區域曾經照過。所以，應該需要換個方法才會比較有效率。


於是，他們決定放棄使用光點來照視網膜，改成直接讓貓咪去看投影螢幕上的影像；換句話說，他們想要直接在螢幕上投影，看看貓的視覺皮質中的神經細胞在看到什麼樣的圖樣刺激時會產生反應。


那要怎麼投影呢？剛剛我們曾提到，克夫勒有一個可以固定貓咪頭部的特殊固定器，它可以讓貓咪的頭和眼睛往上仰。當時因為沒有其他的固定器，休伯爾和威澤爾只好繼續使用這種固定器。為了配合貓咪的視線仰角，投影用的螢幕只能擺到天花板上才行；也因此，當時整個實驗室的天花板上放了很多竹竿跟白布，看起來就像是馬戲雜劇團的現場一樣。另外，所有人做實驗也通通要被迫配合貓咪的視線仰角，必須累得半死的一直抬頭仰望。


然而，即使換了這樣的投影方式，仍然一無所獲。他們測試過各種形狀和不同大小的光點，測試過不同的投影位置，這些視覺皮質中的神經細胞完全不為所動。他們甚至試過正妹圖，結果一樣，這些細胞總是宛如死水一灘。


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意外的發現
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當時，神經科學家都習慣把神經活動連接到音響上，只要一記錄到細胞活動，就可以聽到聲音。有一天，他們在記錄一顆視覺皮質中神經細胞時，仍採用投影片來投射圓形黑點，但是測了好幾個小時都鴉雀無聲；當他們在更換刺激材料時候，突然之間，這個細胞有如機關槍一樣槍聲大作！


這一串機關槍響後，大家先是一陣錯愕，不敢動彈，然後馬上開始尋找到底是剛剛什麼動作所造成的。在經過幾次測試後，終於謎底揭曉 ── 原來，這顆細胞是對投影片邊緣上的「直線」有反應！


當他們更換投影片的刺激時，投影片的直線邊緣會在視網網上造成直線的投影，而這種直線就是這種神經細胞所喜歡的圖形；另外，休伯爾和威澤爾還發現，這顆神經細胞只對某個特定傾斜角度的直線有反應，如果不是這個傾斜角度的直線，這顆細胞就不會有反應。


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簡單細胞
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現在我們把這種細胞稱為「簡單細胞」（simple cell）。為什麼視覺皮質裡的簡單細胞會喜歡直線？會有這種直線形態的接受域呢？大家其實只要仔細想一想，如果我們把視網膜上的神經節細胞的接收域連結整合起來，會出現什麼型態？就可以理解其中的道理了。


視網膜上的神經節細胞的接收域是小的圓形，如果把好幾個圓形排成一排串起來，是不是就會得到一條直線呢？視覺皮質中的神經細胞，基本上就是接收了一整排來自視網膜的神經節細胞的訊號，也因此，其接受域也大致就是這一排視網膜神經節細胞接受域的集合。


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複雜細胞
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除了這些簡單細胞之外，休伯爾和威澤爾後來還發現了另一些細胞，比方說「複雜細胞」（complex cell）。這種複雜細胞的接收域很有趣，只有特定傾斜角度的直線往特定方向移動時才會反應，例如某個複雜細胞可能只會在視野中出現往下移動的水平直線時才會活躍。


這種複雜細胞又是怎麼回事呢？為什麼會出現這種形式的接受域呢？有些聰明的聽眾可能已經想到答案了 ── 這種複雜細胞，基本上就是接收了來自一整排簡單細胞的訊息。只要這一整排簡單細胞依照時間順序依序反應，這個複雜細胞就會反應。


比方說，當視野中出現往下移動的水平直線時，就會有一整排對水平線有反應的簡單細胞依序變得活躍，而這一整排的訊號依序傳入這顆複雜細胞後，就可啟動這顆複雜細胞。


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大腦一關一關的逐步整合訊息
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以上，就是休伯爾和威澤爾的故事。我們至少可以從這個故事中學到兩件重要的事。第一件事，是大腦運作的原理；第二件事，是科學運作的方式。


關於第一件事：大腦運作的原理，上述發現解釋了大腦如何在簡單的「分析」和「整合」之後，從視網膜到視覺皮質的短短幾道程序，就出現了由簡單到逐漸複雜的訊息處理過程。


視網膜第一關有「感光細胞」，經過簡單的區域彙整之後，到了視網膜下的「神經節細胞」就已經可以處理圓形；到了「視覺皮質」，就可以再把一些排成一線的圓形整合起來，處理直線和傾斜角度；再到下一關，把一排直線依照時間順序整合起來，就可以處理方向動態了。


所以說，我們處理複雜圖形的方式之一，或許就是透過這樣的資訊拆解，然後再逐步整合而已！畢竟，再複雜的圖樣，也可以拆解成圓形、直線和動態的組合，最後被大腦輕鬆處理。


第二件事，是關於科學運作的方式。許多人常常會說，休伯爾和威澤爾的發現，就是「偶然勝過努力」的例子！但是事實上，休伯爾自己並不認為這只是偶然的發現。


休伯爾認為，他們的發現確實是出乎他們的預期，但是卻一點都不偶然，因為他們已經嘗試過各式各樣的可能錯誤，當各種可能的錯誤都試過之後，成功的可能性自然就會增加。他們以靈活而非制式死板的方式進行實驗，可能就是意外結果得以出現的關鍵。雖然神經細胞的運作方式最後出乎他們的預期，但是這樣的發現總歸是多元努力嘗試後的結果，可不是偶然在街上就可以瞥見的喔！


貓的諾貝爾獎故事還沒完，敬請期待下週《大腦好好玩》第一季最後一集：裂腦貓！