科學人 9月號/2018 第199期

腦中第七感

過去一直以為免疫系統和神經系統不相往來，
但兩者的功能其實緊密相連。

撰文／吉普尼斯（Jonathan Kipnis）
翻譯／謝伯讓　

數十年來，解剖學教科書告訴我們，身體中最複雜的兩個系統神經系統和免疫系統，其結構和運作方式幾乎毫不相干。傳統知識認為，神經系統負責指揮身體的運作，而免疫系統負責防禦和保護身體。在健康個體身上，兩者功能從不交疊，只有在某些疾病或外傷發生時，免疫細胞才會進入腦中並展開攻擊。
但近年一些新的研究發現，推翻了先前對這兩個系統的了解。越來越多證據指出，無論個體生病或健康，神經系統和免疫系統都保持互動，例如當腦部受傷時，免疫系統會提供支援；免疫系統也可幫助大腦面對壓力，並協助許多重要認知功能，例如學習和社交行為。
此外，免疫系統在保衛身體、偵測體內微生物之外，也會把訊息傳遞給腦部，就像我們的眼睛和耳朵會把視覺和聽覺訊息傳遞給大腦。換言之，神經系統和免疫系統互相交流的程度遠比我們過去所知的還頻繁，甚至可說是緊密連結。
在神經免疫學這門新興的研究領域中，科學家目前所知只能算剛起步。但已經確定的是，腦部對於免疫訊息的反應，以及免疫訊息對大腦迴路的控制和影響，不但是我們了解許多神經疾病（例如自閉症和阿茲海默症）的關鍵，也有助於我們發展新療法。我們治療這些神經疾病時常常遭遇挫折，因為大多數藥物都無法穿越血腦障壁進入腦部。神經免疫學的發現則指出了一個迷人的可能性：從免疫系統下手，可能會更有效。

神經免疫各司其職
中樞神經系統由腦與脊髓組成，共同指揮身體所有功能。由於腦負責的功能極廣，腦的基本運作單位是神經元，神經元佔據了腦部大約一半的空間，人腦中約有1000億顆神經元以及約100兆個連結（突觸）。
神經元與其他各種細胞（例如膠細胞）共同構成了腦實質（brain parenchyma），腦實質是負責處理龐大資訊的結構。其他重要角色包括了基質細胞（stromal cell），負責為腦實質提供物理性的支撐，此外還有內皮細胞，內皮細胞除了構成血管以提供腦部養份，還形成血腦障壁，阻止來自身體的各種物質進入腦部。
至於免疫能力，可分為先天免疫力（innate immunity）和適應性免疫力（adaptive immunity）。先天免疫力比較原始，是身體對抗病原體的第一道防線，大約是10億年前由某些細胞演化出來，可快速偵測並消滅病原體、但較缺乏精確度的免疫能力。先天免疫力會啟動發炎反應，讓白血球齊聚於感染部位，分泌蛋白質來誘發熱和腫脹以限制並破壞病原體。
適應性免疫力則是較晚演化出來的機制，主要是藉由T淋巴球（或稱T細胞）和B淋巴球來辨識特定病原體，並發動相對應的標靶攻擊。

讓科學光芒普照

絕美杉林溪，今年8月中旬第21屆吳健雄科學營在此展開。150位高中生學員分別來自台灣、香港、馬來西亞和中國大陸，再加上12位教授、37位高中教師以及35位輔導助理，圍繞著四位講座大師，共享國際上少見的六天科學盛宴。我有幸自首屆即參與，年年受益。
在美國加州大學柏克萊分校教了50多年書的沈元壤院士，先由柏克萊校訓"Let there be light"（讓光芒普照）談起人類對光的認知歷史。2000多年前柏拉圖和歐幾里得竟不約而同認為我們之所以能視物，是源自眼睛中射出的火光！牛頓主張光是粒子，馬克士威則認為光是波動。沈元壤以簡明的方程式逐步帶領大家由光的二象性、量子紀元到雷射的興起及應用。雷射創下了地球上的最大壓力、最高溫及最低溫，也依之偵測到宇宙的重力波。
剛滿50歲的葉軍院士是沈元壤讚不絕口的光學大師，他細述如何以雷射創造超冷原子，並製作出世上最精確的原子鐘，精密度可達10-19。也就是以之度量地球的46億年歷史，誤差將小於一秒！結合精密計量及量子物理，我們既可探究複雜的量子系統，也能檢驗自然界的基本定律，並探索新物理及發展意想不到的新應用。
去年7月，我初訪位於中國深圳的華大基因公司，這家公司是全球基因定序的龍頭，在那裡我看到前所未見的宏偉生物產業。楊煥明院士是華大基因的創辦人及理事長，他以溫州腔吟詩似地歌頌〈美好基因，美好生活〉。他認為定序技術的發展，使生命變成序列化和數位化，為21世紀的生物學及醫學帶來革命性的進展。中國及美國都已啟動百萬人的全基因組定序計畫，也雄心宣示要為全球所有生物物種進行基因定序。合成新生命已是必然，但是伴隨的倫理考量尚待規範。
深陷官司已兩年半，仍被限制出境的翁啟惠院士當然是科學營的焦點。他深居簡出多時，我衷心讚佩吳健雄基金會有此勇氣與榮幸，邀請他來啟迪年輕學子，精闢的演講贏得多次滿堂彩。翁啟惠是醣分子的宗師，他發展的分子探針及醣晶片，可判別正常與疾病細胞表面的醣分子差異，並以之設計針對傳染病與癌症的廣效疫苗及新治療藥物。聽著演講，我也想著這期《科學人》的專題企劃〈全球迎戰傳染病新威脅〉，台灣社會仍要繼續禁錮可能是人類健康救星的翁啟惠嗎？

【關於封面】神經和免疫系統是身體中最複雜的兩個系統，新近研究顯示兩者在腦部相互溝通，司職個體對抗外來病原、調節壓力反應等重要功能。在腦中運作的免疫系統，儼然成為我們的另一種感官。

神經科學
32　腦中第七感
文／吉普尼斯（Jonathan Kipnis）
過去以為免疫系統和神經系統不相往來，但研究發現兩者的功能其實緊密相連。

數學
40　數的藝術品
文／奧涅斯（Stephen Ornes）
數學家與藝術家受到數學原理啟發，創作了圖像與雕塑，展現此領域的極度美感。

2018未來醫學
46　全球迎戰傳染病新威脅
 
48　都市與貧窮加速傳染病回歸
文／穆易爾（Melinda Wenner Moyer）
傳染病正以快速且猛烈之姿強勢回歸美國以至全球許多城市，追究根本原因，竟是日益擴大的社會貧富差距和因應都市化而生的建築設計所致。

62　氣候變遷讓傳染病更難預測
文／帕什雷（Lois Parshley）
氣候變遷加速了人與動物的流行疾病的傳播，也讓科學家發展預測疫情爆發的模型變得更加困難。

公共衛生
72　登革熱的燎原之火
文／龐中培
蚊子分佈的範圍隨著全球暖化持續擴大，登革熱這種藉由蚊子傳播的疾病，正一步步威脅著更多人。

76　全球滅蚊行動
文／斯特利克曼（Dan Strickman）
全世界的科學家正以新殺蟲藥、誘捕法和遺傳工程技術對抗蚊媒傳染病的擴散。

能源科技
82　智慧電網也要配合天氣
文／費爾雷（Peter Fairley）
新的電網規劃必須考慮天氣變化、分析巨量天氣資料，適當建置電廠與輸電線路，再生能源才有機會成為發電主力。

心理學
88　反科學的心理學
文／肯瑞克（Douglas T. Kenrick）、科恩（Adam B. Cohen）、紐柏格（Steven L. Neuberg）、查迪尼（Robert B. Cialdini）
總有人質疑氣候變遷及物種演化的真實性，若想說服他們改變主意，得要扭轉他們一些根深柢固的認知偏誤。


科學人觀點
6　萬物皆有數，能數才能活！
文／曾志朗

總編輯的話
8　讓科學光芒普照
文／李家維

10　讀者論壇
   
12　科學人新聞
沉積岩富含氮
噪音讓毛毛蟲反應變慢？
伐木與美洲豹共存之道
宜家機器人
具有真實感受的義肢
口渴讓蚊子更愛吸血
清查生物總量
一覽世界科技進展
從朋友圈看個性
線蟲上太空  

形上集
24　愛因斯坦的看法
文／高涌泉

教科書之外
26　資訊要去蕪存菁
文、圖／陳文盛

數往今來
28　連結數學、藝術與教育的橋樑
文／李國偉

網上世代
30　免費的公眾資源，誰維護？
文／莊庭瑞

專家看新聞
94　減碳關鍵技術
文／弗里曼（Madison Freeman）、葉連（David Yellen）

健康與科學
96　搶救受損聽力
文／華立斯（Claudia Wallis）

資訊世界
97　我的AI會打電話訂位
文／波哥（David Pogue）

真真假假
98　檢測你的23對染色體
文／薛莫（Michael Shermer）

反重力思考
99　最重要的小事
文／米爾斯基（Steve Mirsky）

生物手記
100　大蚊非蚊，溫柔不叮人
文／朱汶偵

《科學人》雜誌－全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎！身為全球科普雜誌的第一品牌，《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢，除生命演化及天文奧秘的探索外，也包括成就未來經濟創新的各種工具：「NBIC，Nano-Bio-Info-Cogno（奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技）」，及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外，台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上，藉由淺顯易懂的編輯呈現方式，帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年！15年來，在「廣」的方面，《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究；而在「精」的方面，《科學人》推出15週年特別獻禮：「博學誌」系列文集，滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀