羅中泉的神經訊號大解密

 
2014/03/20 葉孋嬋 | 計畫執行團隊兼任編輯
葉孋嬋 | 計畫執行團隊兼任攝影     5,301
 
「早晨聽見鬧鐘聲響,你瞇著眼睛往窗外看去,陽光灑落一地,『該起床了!』你心想,伸伸懶腰從床上爬起…」短短的一句話,卻包含了無數感知作用。

究竟感知如何運作?大腦如何處理這些複雜訊息?人又如何做出反應?這些都是神經科學所探討的熱門話題。羅中泉老師有感於國內高中生物課程對於神經科學領域較少著墨,並且缺乏相關實驗的設計;遂發展一套模擬神經行為的軟體。期望學生能藉由軟體操作,進而對於神經作用有更深刻的了解!

21世紀為神經科學的時代

「專業人才培育應從高中開始,目前台灣生命科學教育仍多偏重在細胞生物、動植物學及生態學等,一般大眾談到生命科學也常常聯想到癌症、基因等分子生物學的部分,但對於神經科學著墨較少。近年來神經科學在歐美逐漸受到重視,神經科學為未來研究的新選項!」羅老師說,隨著2013年美國「大腦活動圖譜計劃」BRAIN Initiative1 及歐盟「人類大腦計劃」Human Brain Project2 分別啟動了人類大腦的探究計劃,使神經科學成為研究的新主流。推動21世紀的生命科學研究邁入「神經科學的紀元」,諸多相關的創新技術與研究課題如雨後春筍迅速竄出。

然而,台灣在高中相關課程的教材內容中關於神經部分仍停留在幾十年前就已經知曉的知識上,對近年來神經科學新進展的論述相當有限。羅老師認為:「如何在基礎生物或生命的學科課程中,帶入新的技術與知識,使其碰撞出新的火花,是當今重要的教育課題。」

神經反應看得見

羅老師團隊所開發的神經網路模擬系統軟體,能讓學生自己動手模擬兩個神經元之間的運作關係,了解一個神經元如何去激發或是抑制另一個神經元。「目前高中生物講到神經傳導的部分僅有圖示,學生不易理解;透過軟體能自由改變參數,刺激神經元,看到神經元的反應。這是一般高中課堂上無法看到的現象。」羅老師道。

教學軟體介面友善與否,直接影響到學生及老師的使用意願。而這套軟體在科普活動計畫結束後要能持續被使用,前提是學校老師要會操作。許多來訪的高中教師也在課程結束後,對於能有這樣一套軟體感到十分興喜;也樂於在課堂上作為輔助的教具,並且提供相關使用者意見,使得軟體的修正趨於完善。

除了電腦模擬實驗,羅老師也與清華大學生命科學系葉世榮副教授合作,以簡單的設備進行電生理實驗。葉老師開發出一套易於上手且精準的心臟分析儀器,能實際觀察心跳的變化、心音量測、脈搏量測、肌肉組織放電、眼球組織放電...等現象,讓學生透過完整的體驗課程,能更深入了解系統神經科學。

在教學過程中,羅老師也常遇到「學生應該要知道,而不知道」或是預期「學生應該不知道,卻曉得」的情況。因此,藉由多次科普教學經驗的累積,逐步調整教材內容與教學方式。學生學習後的反應常帶給羅老師許多驚喜;不同背景的學生,反應都不一樣。

「剛開始寫出的軟體有許多Bug,但仍有一些電腦資訊能力很強的學生,能自行找到方法來避免錯誤,使模擬蟲在虛擬空間中移動並找到食物。」羅老師表示。在短時間內要讓一般學生學習到神經科學、神經網絡的知識,再進入到模擬蟲運動方式不是很容易。因此大幅修改軟體的使用介面與呈現模式,讓高中學子能以最簡單的操作方法,看到兩個神經元之間的作用。

期望能有更多學術研究者投入科普教育

羅老師說:「神經科學比起實際觀察動植物、細胞生物學、分子生物學來說,在實驗操作上是相對困難的。因為無法讓學生直接拿一個神經元來做實驗,所以電腦模擬就是一個很重要的媒介。」現階段的軟體仍有許多可以改善的部分,如果有更多資源人力能好好發展,相信能更加吸引學生。「最大的困難其實是時間!」羅老師感慨的說。對於一個年輕研究者來說,縱使想要為科普教育盡更多心力,但因受限於現行大學教職的升等制度,故大多數的時間必需投入在學術研究上和學校的教學工作上;但即使如此羅老師仍期望未來有更多專門做學術研究的實驗室,願意花一些時間將研究成果轉換成適當的科普教材,好讓台灣的高中學子能有機會接觸更多新、更前瞻的科學與技術知識,提升台灣的國際競爭力。然而這並不是件容易的事,如何取得中間的平衡,讓更多研究者能投入科學教育,是未來的一大挑戰!

註:
[1] 2013年4月美國總統奧巴馬宣布投資巨額38億美元推出的「大腦活動圖譜計劃」(Brain Activity Map Project),或簡稱Brain Initiative (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies initiative)的腦部研究計劃,研究大腦活動中的所有神經元,繪製出詳盡的神經回路圖譜,以探索神經元、神經回路與大腦功能間的關係。
[2] 2013年1月歐盟宣佈投入10億歐元啟動的“人類大腦計劃”(Human Brain Project)研究,旨在運用巨型電腦模擬整個人類大腦的活動過程。而美國的“大腦活動圖譜計劃”(Brain Activity Map Project,或稱Brain Initiative)。



羅中泉

國立清華大學系統神經科學研究所助理教授
「體驗神經訊息之奇幻旅程」計畫主持人
e-mail:cclo@life.nthu.edu.tw

實驗室網址:http://life.nthu.edu.tw/~lablcc/