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果蠅腦神經水墨表現創作

Ink Expression of FlyCircuit

楊美美

朝陽科技大學視覺傳達設計系

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作品簡介

本論文創作是以國立清華大學腦科學研究中心，所實驗的內容為主要的科學主軸，創作

者多年投入跨領域研究，嚐試在艱澀難懂的科學範疇當中，發揮視覺美學設計的空間，

運用中華文化傳統水墨表現創作，隱含腦的秘密，繪製具科學意義的神經細胞，再輸入

電腦，供研究團隊作後續的剖析與利用。

創作理念

果蠅腦神經水墨創作，是以藝術形式為包裝，本質卻以傳達科普知識為主軸，讓觀賞者

在欣賞視覺藝術創作之美，同時也能更進一步認識作品的內涵、生命科學背後的無名英

雄「果蠅」精神與意義。藉由傳統藝術的表現，讓深奧的科學研究知識不再遙不可及，

預期達到觀賞者可以在欣賞水墨藝術創作的同時，對於腦科學神經知識也能更深刻體驗

與認識，傳統藝術與科學研究相遇所激發的火花成果，為本研究創作主要的目的。

作者簡介

創作者在 2004 年曾經以腦科學研究中心成立的時候，製作科普多媒體影片"腦神經基因

表現圖視覺化研究創作"，以多媒體影片作為科普的媒材表現，該論文並入選參加"2004

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SIGGRAPH CONFERENCE"作品發表。其間創作者持續深入腦科學研究中心的研究題

材，並於 2008 年完成 "清華大學腦科學研究中心實驗室介紹影片"DVD 節目，2007 年

夏天構想以東方水墨媒介與文化特質中，深入探討其可能性，以表現果蠅腦神經網路的

密集滲透感，作為創作者科普創作的延伸系列。

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果蠅腦神經水墨表現創作

楊美美

朝陽科技大學視覺傳達設計系

摘要

本論文創作是以國立清華大學腦科學研究中心，所實驗的內容為主要的科學主軸，

創作者多年投入跨領域研究，嚐試在艱澀難懂的科學範疇當中，發揮視覺美學設計的空

間，運用中華文化傳統水墨表現創作，隱含腦的秘密，繪製具科學意義的神經細胞，再

輸入電腦，供研究團隊作後續的剖析與利用。

果蠅是現代科學研究的新寵兒，雖然外表看起來跟人類大不同，但在基因的層次和

功能上，卻展現出相同的原理與機制。人類的大腦與果蠅的腦，儘管在結構上差很大，

但是神經網路連結與人類卻極為相近。2004 年諾貝爾生理醫學獎得主李察.艾克塞

（Richard Axel），發現果蠅的嗅覺訊號處理機制，對理解腦運作有重要的啟發。2007 年，

臺灣團隊國立清華大學腦科學研究中心的研究論文首刊《細胞》（Cell）期刊，對於當年

艾克塞的發現，有更深入的探討。

果蠅的腦袋大約有 13萬多顆神經細胞，腦科學研究中心實驗藉由抑制細胞註記的

鑲嵌方式，透過 GFP標示單一神經細胞及顏色，運用「共軛焦顯微鏡」底下的雷射光源

調整波長，可以看到被染成紅的、綠的神經細胞，透過電腦運算，將不同切面的顯微鏡

畫面組合後，就是真實、酷炫的 3D立體影像了。透過 3D立體眼鏡，果蠅腦袋裏面成千

上萬顆神經細胞，有的看似孤立一方，有的卻又相互牽絆，圖形萬千、炫麗萬彩，不禁

讓人讚嘆大自然造物者的神奇巧思，果蠅腦神經網海，浩瀚無涯、豔麗奔放、獨一無二

的圖像，絕非任何繪畫作品可以相比擬的，也不是高階電腦軟體可以繪製產生的，那是

大自然的影像，它原本就存在的，未曾被使用來當成題材創作。拜現在科學實驗儀器的

進步，讓我們可以看見果蠅腦袋內的神經網路交通，才有機會孕育本研究成果。

本創作成果已被運用在全球第一個 3D立體展示果蠅腦神經網路的展示中心-- "3D立體神經影像教室"（3D Neural Image Room），座落於台灣國立清華大學腦科學研究中

心；本研究成果亦使用於 3D果蠅腦神經網路資料庫--FlyCircuit 的入口網站設計（http:// www.flycircuit.tw），由於本資料庫是由台灣學術團隊，辛苦研究近 10年的努力成果，

因此，使用中華文化傳統的水墨表現腦神經網路，相對具有特殊意義。

關鍵字：神經網路，水墨

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第一章 緒論

第一節 研究緣起

中華文化傳統水墨畫作表現已有幾千年的歷史，內容通常又分有寫意與寫實文化，

水墨繪畫大都呈現淡雅、素樸、明淨與顯隱等特色，畫中透露如夢似幻的境界，讓觀賞

者常常神遊其中。

神經細胞是人體內獨樹一格的細胞，神經細胞有特殊的聯繫構造，以電化學方式溝

通。人腦大約有一千億個神經細胞，每一個神經元都是單一的細胞，這個細胞有個中心

部位，由中心延伸出無數的神經纖維，其中短的就是樹突（Dendrites）是神經元的接受

器，負責將訊息傳向細胞本體，長的為軸突（Axons）是神經元的發射器，負責將訊息

帶離細胞本體。人類的大腦與果蠅的腦，儘管在結構上大不相同，但在基因的層次和功

能上，卻展現出相同的原理與機制。

水墨畫具有半滲透性、擴散性、延展性的特色，水墨畫作品多半具有朦朧、虛幻感。

神經細胞同時也具有半滲透性、擴散性、延展性，神經細胞網路是真實生存的系統，透

過先進的精密儀器「共軛焦顯微鏡」，以及電腦軟體 Amira 等專業工具，讓美麗的神經

細胞網路圖像可以具體顯現。

在科技進步神速的二十一世紀，水墨繪畫的表現面臨許多挑戰與疑問，運用水墨畫

的虛擬美來表現神經網絡的真實美，藉由畫中虛擬夢幻的視界，窺看神秘而真實的神經

網絡世界，是非常獨特且創新的表現方式。

第二節 研究目的

腦科學是二十一世紀最重要的科學研究，由美國冷泉港實驗室、國家高速網路電腦

中心與台灣國立清華大學共同合作的腦科學研究中心，於 2004年 2月正式成立，經幾

年努力研究，已擁有全球第一個「果蠅腦神經網路 3D影像資料庫」，目前研究中心更成

功解碼果蠅腦超過三分之一神經網路圖譜，包含功能、分布與連結。腦科學研究中心的

研究成果不僅是台灣科學界驕傲，發表的學術論文更是多次刊登於世界著名期刊，也是

台灣可貴的榮耀。

果蠅腦神經水墨創作，是以藝術形式為包裝，本質卻以傳達科普知識為主軸，讓觀

賞者在欣賞視覺藝術創作之美，同時也能更進一步認識作品的內涵、生命科學背後的無

名英雄「果蠅」精神與意義。藉由傳統藝術的表現，讓深奧的科學研究知識不再遙不可

及，預期達到觀賞者可以在欣賞水墨藝術創作的同時，對於腦科學神經知識也能更深刻

體驗與認識，傳統藝術與科學研究相遇所激發的火花成果，為本研究創作主要的目的。

第三節 研究範圍與限制

國立清華大學腦科學研究中心的跨領域研究團隊（生科、電機、資訊、交大資科及

國家高速網路與計算中心）已發展出一系列新的影像技術，可以用全彩、生動且清晰度

達突觸細微末端的 3D立體果蠅腦影像，來呈現單一基因在單一神經元的表現，並已初

步建立第一個『3D果蠅腦資料庫』，內容包含分子層次及基因迴路的表現型態。此資料

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庫將提供使用者線上搜尋、歸檔、分析神經網路等功能，使國際間的神經科學研究者，

能以此為交流、合作的平台。此外，最重要的是這個資料庫將提供我們，預測可能是由

哪些特定的神經網路，來傳遞與計算外在刺激所引發相對應的動物行為。

水墨神經研究創作是以國立清華大學腦科學研究中心所發表的論文成果為基礎，再

作後續的視覺創作發展。2007年三月，清華大學江安世教授的研究團隊率先公佈了果

蠅嗅覺神經網路圖譜於頂尖學術期刊《細胞》（Cell）中，已受到國際矚目；半年之後，

又再度發表果蠅腦中心有一個特殊區域—橢圓體—極可能是長期記憶的儲存所在。此項

研究結果，已發表於本期（2007年 11月）的《自然神經科學》（Nature Neuroscience）期刊上，這是神經科學領域影響指數（impact factor）最高的期刊，更為台灣在腦科學

研究的國際舞臺上取得一席之地。除了具有標竿作用外，在科學上也為後進學者提供了

明確且重要的研究方向。

清華大學在教育部「發展國際ㄧ流大學及頂尖研究中心計畫」的支助下，以「拔尖

計畫」的方式重點發展跨領域的腦科學研究，在國際競爭中屢有佳作。中心的目標就是

以果蠅為模式生物，建立第一個全方位且具功能性的神經突觸網路地圖。在這研究過程

中，雖然瞭解神經細胞的全面連結看來比基因體定序還更具挑戰性，但清華腦科學研究

中心的團隊整合了跨領域的研究專長，很有機會成為全世界第一個完成 connectome 的團隊。

腦科學研究中心跨領域合作的成績領先國際科學成就，研究創作者必須先瞭解內容

才能更進一步將其內容發展延伸創作，也是本研究創作最困難的限制，研究創作者要先

具有藝術創作的背景內涵，加上不斷加強的科普知識，還有充實電腦科技，才可能完成

本研究創作。

第四節 研究方法與步驟

創作者長時間投入於清華大學腦科學研究中心的研究計畫，嚐試在視覺設計與生物

科技領域裡，建立彼此的橋樑。清華大學腦科學研究中心建立全球第一個果蠅全腦基因

表現及神經網路資料庫—FlyCircuit，使用 MARCM（mosaic analysis with a repressible cell marker）抑制細胞註記的鑲嵌分析方法，解構果蠅腦袋中成千上萬神經細胞的單一神

經，這是藉由特殊的 Gal4 Driver 使用 GFP（綠色螢光蛋白）來標示單一神經細胞的生

成。

首先，在果蠅腦的十三萬顆神經細胞中選擇具生物代表意義且造型獨特的神經細

胞，本創作依序擇取（1）橢圓體（ellipsoid body）(圖一)--果蠅腦中的特殊區域，極

可能是長期記憶的關鍵結構。（2）果蠅腦中的嗅覺系統（olfactory system）(圖二)。（3）

視覺神經（Visual Neuron—TpH-F-000025）聯接果蠅兩邊視覺區域（optic lobes）(圖三)。

創作者進行後續設計發想與表現技法測試，經由連續實驗與嚐試，選擇水墨技法表

現合乎本研究創作的精神。最後，再藉由電腦繪圖軟體，作些微修改，造型變化新式樣

等。

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第二章 相關文獻探討

由於本研究創作為新領域，創作者對素材內容的了解，遠超過真正創作的時間，探

討領域大多為生物科普書籍及腦神經科學論文。

第一節 神經科學

1906年，高爾基（Golgi）和卡哈（Cajal）對神經系統的研究傑出貢獻，獲諾貝

爾醫學獎。卡哈，1852~1934，（Santiago Ramony Cajal）西班牙人，被喻為"神經學之

父"，曾經說過「任何人只要努力，就可以是他自己腦子的塑造者，可以創造自己的成

就 」。神經細胞學從此開啟研究大門，一個細胞的直徑大約為 3~50μm，神經元纖維末

稍的突觸（synape）所在的分支非常細微，大約只有幾百奈米（nero miter=nm），在過

去實驗所使用的光學顯微鏡、電子顯微鏡都很難看清楚神經元纖維，拜科技進步「共軛

焦顯微鏡」解決了這個問題。

第二節 神經新知

◎〝A Map of Olfactory Representation in the Drosophila Mushroom Body〞果蠅腦內

蕈狀體的嗅覺神經網路地圖，此篇論文是由台灣國立清華大學腦科學研究中心團隊發表

於(2007 年 3 月)頂級的《細胞》(Cell)科學期刊上，是台灣學術研究論文首次刊登於該

知名期刊。該論文建構出的果蠅嗅覺神經網路的部分圖譜，對神經科學家了解大腦如何

感知週遭的環境及經由層層的神經網路逐步分析解讀，最後發出合適的行為指令，有重

大的啟發。該論文的重要性有下列幾項：

1、發展出一系列嶄新的生物影像科科技，具超高 3D 解析度，可立即應用於其他

許多生物醫學的研究。

2、在激烈的國際學術競賽領先，使建構『腦神經網路圖譜』以明瞭腦的認知與行

為，成為指日可待。

3、這是我國第一篇獲登於《細胞》(Cell)科學期刊上的研究論文。

◎〝Specific requirement of NMDA receptors for long-term memory consolidation in Drosophila ellipsoid body〞，果蠅腦中心有一個特殊區域--橢圓體--極可能是長期記憶的

儲存所在。此項研究結果，是由腦科學研究中心團隊發表於（2007年 11月）的《自然

神經科學》（Nature Neuroscience）期刊上，是該期刊首次由台灣學生名字發表論文。本

論文指出果蠅腦的蕈狀體固然是負責中短期記憶的儲存，但長期記憶卻是儲存於橢圓

體，並非蕈狀體，不過各種不同時程記憶的儲存都仍然由腦內的麩胺酸受器來控制。這

項發現對亟欲解開記憶神經網路之謎的神經科學家而言，有著重大的啟發。該論文的重

要性有下列幾項：

1、長期記憶儲存在橢圓體且必須有正常的麩胺酸受器表現。

2、中期記憶儲存在蕈狀體且必須有正常的麩胺酸受器表現。

3、中期記憶與長期記憶可能為獨立的機制，因為抑制麩胺酸受器在蕈狀體的表現

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可抑制的中期記憶形成但不影響長期記憶形成。

4、本研究為首次發現果蠅的學習與記憶發生在蕈狀體以外之腦部結構。

第三節 神經藝術

創作者在 2004 年曾經以腦科學研究中心成立的時候，製作科普多媒體影片"腦神經

基因表現圖視覺化研究創作"，以多媒體影片作為科普的媒材表現，該論文並入選參加

"2004 SIGGRAPH CONFERENCE"作品發表。其間創作者持續深入腦科學研究中心的研

究題材，並於 2008 年完成 "清華大學腦科學研究中心實驗室介紹影片"DVD 節目，2007年夏天構想以東方水墨媒介與文化特質中，深入探討其可能性，以表現果蠅腦神經網路

的密集滲透感，作為創作者科普創作的延伸系列。

第三章 研究設計與實施

第一節 前置作業

腦科學研究中心已發展成為世界級的科學研究單位，卻沒有適當的視覺形象來代

表，創作者長時間投入於腦科學研究中心視覺規劃設計，對於腦科學研究中心近期研

究，分析果蠅大腦中神經突觸的結構性聯結，及遠程的計畫，將於十年內完成全世界第

一個果蠅腦神經網路的 connectome 網站。首先，將台灣國立清華大學內的生命科學一

館 114 教室改裝為"3D 立體神經影像教室"（3D Neural Image Room）作為中心研究成果

發表、學術研討交流、外賓參觀訪問…的優質展示空間。114 教室原本為老舊的階梯教

室，今年夏天，創作者重新規劃設計，具現代感、明亮、3D立體神經影像展示室，目

前該展示室是清華大學重要景點，國內外學術單位或教育部官員參觀國立清華大學必定

拜訪之處。

第二節 資料蒐集

科學研究領域中，要知道動物的行為，必先了解基因，要先有完整的神經網路後，

才能了解生物功能。創作者在瀏覽過果蠅腦神經資料庫裡面幾千個神經網路之後，次第

依照神經網路樣式特別地進行分析，再透析該神經網路所具備生物功能的義意，作為果

蠅腦神經水墨創作品。

第三節 設計與實施

創作者經連續地實驗測試，開始由果蠅外型著手，先由水墨筆繪，再輸入電腦修飾，

但效果不佳。接著以果蠅腦造型作測試，確具水墨質感，但義意不顯注，創作者接著選

擇獨特的果蠅腦神經網絡造型，先以手繪多款樣式與筆觸測試於畫紙上，再輸入電腦作

最後的修飾，終於完成作品，並獲得腦科學研究中心的青睞。

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第四章 研究結果

第一節 入口網站

本創作成果之一，全球第一個果蠅全腦基因表現及神經網路資料庫 -- FlyCircuit的入口網站設計（http:// www.flycircuit.tw），該資料庫網站由清華大學江安世教授所帶

領的台灣本土科學研究團隊，歷時十年之久，整合了包括清華生命科學系、電機系、動

機系、化工系、資訊工程系、交大資訊科學系、國家高速網路與計算中心等多個研究室

進行跨領域合作的成果網站，期間陸續在國際頂級期刊，發表傑出的研究成果，例如『細

胞(CELL)』、『自然神經科學』（Nature Neuroscience）…等，選用代表中華文化的水墨

特色來表現果蠅腦神經，肯定台灣科學研究的成就，對於該網站所蘊涵意義，著實重大。

（應用一）

第二節 裝置輸出與展覽解說

腦科學研究中心，為各界參訪台灣國立清華大學必定介紹的單位，中研院翁啟惠院

長、王佑曾院士、李遠川院士、中研院前院長李遠哲先生、…等國內外知名學者都曾是

腦科中心的嘉賓，此外世界知名科學家，發現 DNA 分子的雙螺旋結構的華生博士（James Watson），並與克理克（Francis Crick）於 1962 年獲得生理醫學類的諾貝爾獎，也是美

國冷泉港實驗室的創辦人，預定於明(2010)年四月蒞臨參訪。腦科學研究中心的研究成

果傑出豐碩，平面媒體雜誌類有商業周刊、科學人 Taiwan Journal、Taiwan News、生技

時代、大地雜誌、國家地理雜誌…；報紙新聞類有中國時報、中廣新聞、聯合報、自由

時報…；電子媒體類有新浪新聞、公共電視台、國家高速網路與計算中心、大愛電視、

民視新聞台、TVBS新聞台、三立新聞台、大紀元、中廣新聞台、yahoo 新聞網、軍事新

聞網、yam 天空新聞、中時電子報、聯合新聞網…；都曾經爭相報導。腦科學研究中心

所獨有的 3D 立體果蠅腦神經展示空間，兼具科學教育與藝術展示的意義，作為海報裝

置輸出，對於每年有逾千人的國內外知名科學家與學者造訪的腦科中心，在實質上，確

有提升形象的效益。（應用二）

第五章 結論與建議

果蠅腦神經水墨表現創作於今年已獲初步成果與肯定，台灣研究團隊持續努力逐步

勾勒果蠅腦神經網路完全 3D圖譜，建立果蠅腦神經網路的 connectome 網站，未來數十

年內對人腦功能的理解及疾病的治療將快速且突破性的發展。作為全球第一個”果蠅腦

神經 3D 立體展示教室”的藝術展示，讓參訪者在科學知識領域中，體驗科學融合藝術

後，產生的柔性之美。科學知識中有藝術美學，藝術創作中兼具科學內涵。

果蠅腦神經水墨表現創作發表，是希望攫獲有興趣一覽藝術美學的科學人，賞欣藝

術；同時也希望有興趣一窺科學殿堂的藝術人，勇於嚐試。創作者秉持科普教育傳播與

創新研究精神，將繼續製作科普教育影片、電腦動畫、互動裝置、平面創作…等，賡續

下一個科普創作的產出。

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跨領域題目的創作，對於創作者確實有程度上困難的門檻，尤其是艱深難懂的科學

內容，主題研究的階段所耗費的時程，占據大多時間，深入了解、虛心學習，是必需的。

遊藝於科學研究與視覺傳達之間，確有其困難處，科學研究者對於其科學內涵錙銖必

較，但視覺傳達為其次，可是近年來，科學研究者對於研究成果的發表，逐漸以「視覺

導向」為趨勢。二十一世紀的新藝術創作願景，期盼與腦科學研究交集接軌，碰撞出不

一樣的火花。

參考文獻

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附件：

圖一：果蠅腦的特殊區域--橢圓體

圖二：果蠅腦的嗅覺神經網路

圖三：果蠅腦的視覺神經

420

實驗一 實驗二

實驗三

實驗四

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作品之書簽系列

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作品一

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作品二

424

作品三

425

作品四

426

作品五

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應用一：全球第一個果蠅全腦基因表現及神經網路資料庫 -- FlyCircuit 的入口網站設

計（http:// www.flycircuit.tw）

應用二：國立清華大學腦科學研究中心"3D 立體神經影像教室"（3D Neural Image Room）