作者: 懷生相信動物協會執行長郭璇

  牛蛙,在台灣俗稱「田雞」。一講到「田雞腿」,很多人馬上會聯想到美食佳餚,從中式料理一直到法式料理都有它的角色。

        其實除了做為肉品之外,「田雞腿」還有一項較少人知道的用途:大學生理實驗課的實驗材料。每年為了這項用途,許多國家的大學課堂上,犧牲了數以千萬計的牛蛙,包括台灣。在台灣作為一個醫學/生命科學相關領域的學生,很少沒有被「田雞腿」賜教過的。

       而德國有一群生物教授以及教育改革者,為了避免課堂中的牛蛙使用,發展出了一套「虛擬蛙腿」的教學軟體,以之取代原有的活體動物實驗。究竟「虛擬蛙腿」的故事是否有著美好的結局呢?且讓我們一起看下去。

經典「田雞腿」實驗

       首先來看看使用「田雞腿」的肌肉神經實驗,究竟是如何進行的。

       第一個步驟,把牛蛙殺死。最普遍的操作方式為腦脊髓穿刺,使用穿刺針從牛蛙的腦部後方的枕骨大孔刺入,向前破壞腦,向後破壞脊髓。

       第二個步驟,把腿部大塊的肌肉(腓腸肌)連帶周邊神經(坐骨神經)小心翼翼地分離出來,先泡在生理食鹽水中。

       第三個步驟,設法把肌肉的一端固定在實驗架上,並把神經末端接在電極上。實驗架接著一台測量儀,可以把肌肉伸縮的長度跟力度測量出來。電極連接一台電流產生器,會輸出電流以刺激神經肌肉產生反應(可參考圖1)。

        上述三個步驟完成後,就可以依實驗所需,調整電流大小、頻度、懸掛砝碼重量等條件,以獲得不同的實驗結果圖表。

        這個實驗堪稱生理教學中的經典,多年來廣泛使用於世界各地的高等教育單位。然而真的要完美演繹這個經典實驗,對於學生來說卻並不容易。首先,學生必須能成功的將肌肉神經完好的切下來,不然實驗註定失敗。接著,由於肌肉已經離開活體,經不起太多次的重複伸縮受力,這不是一個可以透過多次的試誤學習來達到成功的實驗:做失敗太多次之後,一旦肌肉原有結構受損,就再也無法成功了。

         實際上,有些學生在第一步就被擊敗:因為腦脊髓穿刺的技術不純熟,無法一刺就殺死牛蛙,場面殘忍,導致後續整堂課都被負面情緒籠罩。許多學生多年後關於這個實驗只記得第一個步驟:我如何殺死一隻牛蛙。

學生抗爭催生「虛擬蛙腿」

       虛擬蛙腿的故事開始於1990年代中期的德國馬爾堡大學。那時該校學生針對傷害或殺害動物的教學實驗,發起了大規模且激烈的抗爭活動。由於這些活動帶來極大的壓力,馬爾堡大學的醫學院已率先暫停一切使用活體動物的實驗課程。而虛擬蛙腿的開發者之一,馬爾堡大學生理學院的博朗教授(Hans A. Braun),由於擔任僅存的兩堂使用動物的實驗課的教師,承受了最強烈的抗議。

       博朗教授當時非常堅持要維持肌肉生理以及神經生理這兩門使用牛蛙的實驗課,他認爲這是兩門最經典的、最能讓學生從實作中學習的課程。然而因為日漸增加的壓力讓這兩堂課岌岌可危,他開始思考替代教材的可能性。

      當年快速發展中的電腦科技,正好提供了一個可行的替代方案:實驗模擬軟體。於是,博朗教授聯合多媒體設計專家赫胥(Martin Hirsch),以及神經動力學電腦模型專家胡博(Martin Huber),一同開發出了他們的第一套虛擬實驗室軟體:「虛擬青蛙」(MacFrog)。

      「虛擬青蛙」從一發表就獲獎不斷。1994年獲選為德奧軟體大獎的最佳生物醫學教學軟體,另外還獲頒最佳多媒體應用程式獎,以及蘋果電腦的最具潛力多媒體軟體獎,同時也被德國的新聞以及報章雜誌大肆報導。這些成就促使德國政府提供了博朗教授的團隊大量的資金,讓他們得以將虛擬青蛙修改為最終版,更名為「虛擬神經」(SimNerve),並且開發出其他三套軟體:「虛擬肌肉」(SimMuscle)、「虛擬血管」(SimVessel)、「虛擬心臟」(SimHeart)。

        上述四套軟體,已涵蓋馬爾堡大學醫學生傳統進行的全數生理及藥理活體動物實驗。而其中「虛擬肌肉」即是前述田雞腿實驗的模擬軟體,也就是本文所指稱的「虛擬蛙腿」之一。

虛擬實驗室的設計概念      

       上述「虛擬」系列的軟體,全部皆採取直覺式互動介面,不但操作容易,而且詳實重現實驗室現場。下面以取代田雞腿實驗的「虛擬肌肉」為例來介紹。

       「虛擬肌肉」主畫面(見圖1)陳列著實驗所需的所有儀器、線路、砝碼,以及擺放著牛蛙大腿肌肉的培養皿。使用滑鼠可拖曳位在畫面左上角的牛蛙肌肉及砝碼,將之移動到實驗架上懸掛著。在肌肉和砝碼都懸掛好之後,可調整畫面中三台儀器上的各項設定值,設定完成後按下最左側儀器上的紅色開始按鈕(START->),右方的測量儀上就會顯示出實驗結果圖形。

       除了擬真的操作介面以外,軟體的心臟則是一套精密設計的數學演算法,根據實驗條件的設定來產出真實狀況下的實驗結果。這套演算法也考慮到在自然世界中,每一段牛蛙肌肉都各有不同的質量、強度、靈敏度等變化,於是採取了隨機變數的方式來呈現這種自然差異:即使設定條件完全相同,每個同學跑出來的實驗結果還是不會完全相同。

虛擬對活體,教學經驗比一比

       博朗教授原本是動物實驗教學的擁護者,在學生抗爭的壓力之下,為了保持原有的教學品質,才開發出了一系列的虛擬實驗軟體。在課程形式改變之後,博朗教授的教學經驗有何不同呢?以下整理他的說法。

       首先,無法提供學生操作活體組織的經驗,這一點的確是模擬軟體永遠無法取代活體動物的,然而值得討論的是,在這堂課中提供此經驗的必要性以及效率:就必要性而言,除了醫學生之外,其他領域的學生未必需要操作活體組織的訓練,即使是醫學生,幾次切割蛙腿的經驗其實對於外科技能的養成也沒有很大幫助,因此活體組織經驗在這課程並不具必要性。就效率而言,現實的課堂上通常是一個教師要帶十幾個學生,教師不可能有辦法一一指導每個學生的操作,學生只能自力摸索,甚至有些教師為了加快實驗速度以及可行度,會直接選擇自行將蛙腿處理好再分配給學生,因此在蛙腿實驗中,活體組織操作訓練的效率是很低的。

       而整體來說,博朗教授對於模擬軟體的教學成效給予極高的評價。他發現過去使用活體教學時,「教師們常常有著學生靠自己進行實驗的錯覺」,但是實際上,大部分的學生因為很擔心操作有誤會破壞蛙腿而危及實驗成果,他們會嚴格遵循實驗手冊上的每一步驟,並且在每次實驗條件更改時,都請教師確認設定正確之後才繼續進行。相反的,在使用虛擬軟體的課堂,博朗教授看到了比以往更投入、更積極的學習態度,這甚至讓他開始修改實驗手冊的內容,減少對實驗細節的解說,而留予學生自行探索的空間。

       虛擬實驗還有另一項勝過活體實驗之處:有許多在真實世界中不容易進行的實驗,但是非常具有教育意義。例如在「虛擬神經」中,可以進行將神經傳導完全阻斷的實驗,卻不用真的破壞那根神經以致無法進行後續操作。例如在「虛擬心臟」中,可以分別誘導出在心臟舒張以及收縮時的心跳停止,還能測試各種藥物高劑量給予時對心臟的毒性,卻不用擔心這些操作會讓這顆心臟失能無法繼續使用。

       總結以上,博朗教授認為虛擬實驗的內容較為豐富,學生參與也較積極。他觀察到以虛擬實驗取代動物實驗之後,教學品質不降反升。不再有學生因為切不好蛙腿或是儀器年久失準等原因而感到沮喪,學生在課堂上向教師求助的次數大大減低,也不再有學生被迫為了完成學業而承受殺害動物的心理陰霾。

學生怎麼看「虛擬蛙腿」?

       有一份研究報告,針對取代蛙腿神經實驗的「虛擬神經」軟體,向一百五十五個修習生理實驗課的醫學生做問券調查。

       在使用便利度的部分,全部的學生都表示介面非常容易操作。學生也都贊同「虛擬神經」能幫助他們更加了解神經生理學,多數的學生甚至認為,「虛擬神經」的課程帶來的收穫比參與活體實驗還要多。

       問卷的另一個項目,請學生比較「虛擬神經」以及所有其他生理實驗課程,超過八成的學生都給予「虛擬神經」極高的評價。有鑒於神經生理一向不是醫學生最喜愛的課程內容,再加上被拿來和「虛擬神經」比較的其他課程,包括心電圖、腦電波圖、血漿成分分析等運用複雜儀器的重要臨床訓練,可以看出「虛擬神經」的確是十分傑出的教學模式。

       這份問卷調查還試圖瞭解學生是否認同電腦模擬實驗是一個可行的動物實驗替代方案。在使用「虛擬神經」前,問卷結果顯示學生們原則上支持電腦模擬教學的概念。而在學生們使用「虛擬神經」後,重複調查,則發現學生對電腦模擬教學的支持度有顯著且高度的提升。這代表「虛擬神經」的問世,成功的印證了以電腦模擬取代動物實驗教學的可行性。

結語

       由博朗教授團隊開發的「虛擬」系列軟體,最終共有六套,合稱為「虛擬生理實驗室(the Virtual Physiology series)」,目前由Thomas RECORDING這家公司代理販售,並且可在博朗教授團隊建置的「虛擬生理實驗室」網頁下載試用版。除了使用於馬爾堡大學外,這套軟體陸續被世界各地的數百所高中及大學拿來使用,取代了原本使用活體動物的教學實驗。提升教學品質的同時,得以每年避免數以萬計的牛蛙被殺害,這是虛擬蛙腿的美麗。

       然而,從虛擬蛙腿出現至今已經近二十年,即使有這麼理想的替代方案,傳統的田雞腿實驗教學依然被使用於世界上許多國家,台灣也是其中之一,這則是虛擬蛙腿的哀愁。我們在此也鼓勵仍在進行活體牛蛙肌肉神經生理實驗的各教學單位,可以開始看見虛擬蛙腿之美,逐步轉換成革新的教學方式。


 

    

 

 

參考資料

[1] Hans A. Braun

Virtual versus real laboratories in life science education: Concepts and experiences.

Guinea Pig to Computer Mouse, Eds.: Nick Jukes & Mihnea Chiuia, InterNICHE 2003, pp81 - 87

[2] www.virtual-physiology.com