理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    利用腦側化反轉斑馬魚探討端腦的功能
    (2021) 李宗祐; Li, Zong-You
    腦側化(cerebral lateralization)是指左右邊大腦半球(cerebral hemisphere)各會偏重執行(dominate)某些特定功能,為一種脊椎動物常見的現象。這種功能性的腦側化(functional lateralization)又可追溯至左右腦結構,或是特定分子於左右腦分佈的不對稱性(asymmetric)。許多文獻指出上丘腦(epithalamus)是探討斑馬魚腦部結構的不對稱(structural asymmetry)之重要標的。副松果體位於(parapineal)上丘腦中,正常情況下,該核團約有98%的機率會位於左腦中,僅少部分「腦反轉」個體(brain inversed)其副松果體會位於右腦。本計劃比較一般個體及腦反轉個體間,外顯行為及兩側端腦功能差異,結果將有助於了解斑馬魚腦結構不對稱性對,於腦功能側化的影響。目前已知功能性腦側化會體現於個體的認知(cognition)、情緒(emotion) 和學習與記憶(learning and memory)等面向。本研究利用腦側化反轉斑馬魚,探討整合結構不對稱性對情緒與認知的影響。本研究分別使用野生型(wild-type, WT)及foxd3:GFP品系的基因轉殖(transgenic, TG) 斑馬魚作為實驗對象,該TG品系斑馬魚的副松果體會表現外源性的綠色螢光蛋白(exogenic green fluorescence protein, GFP),故可藉此判別副松果體位置,以篩選出正常(無反轉)的左側副松果體個體(left-side parapineal, Lpp)及腦反轉的右側副松果體個體(right-side parapineal, Rpp)個體。研究包括了四階段的行為實驗(behavioral experiment),第一階段是基礎運動能力測試,用以確認各實驗動物的自發性游動(locomotor activity test)是否正常,基礎運動功能正常的個體,方能進入下一階段實驗。第二階段實驗為類焦慮行為(anxiety-like behavior)測試,本研究選用新穎性水箱測試(novel tank test),交叉比對不同組別實驗動物的類焦慮行為表現。第三階段則為抑制性逃避學習測試(inhibitory avoidance test),檢核腦反轉對恐懼記憶(fear memory)的建立是否有差異。第四階段則是利用腦反轉的TG斑馬魚,探討隨著腦構造反轉後,其功能性腦側化及偏重執行的外顯行為是否同樣出現反轉的現象。實驗結果顯示,腦反轉個體(Rpp)的運動功能與學習能力未受影響,但類焦慮行為明顯增加。在認知功能方面,對無反轉斑馬魚(Lpp)施以右側端腦破壞,會干擾空間及恐懼學習能力,故推測其與野生型斑馬魚相同,空間及恐懼的學習主要由右側端腦所主導,而腦反轉的斑馬魚(Rpp)則轉變為左側端腦主導。因而可推論斑馬魚的功能性腦側化將隨腦部發育反轉,而發生左右顛倒的情形。我們相信端腦功能性側化確實存在於斑馬魚的學習和記憶過程中,但該現象是來自於先天形生(innated)的神經迴路?或是後天經驗學習後(acquired)才逐步建立?仍有賴進一步探討。本研究也觀察到即使對端腦進行較小面績的破壞,但倘若破壞到較關鍵的部位,仍會對空間和恐懼學習造成顯著的損害。
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    斑馬魚空間記憶學習作業之不對稱行為表現-探討動物腦側化對行為的影響
    (2008) 吳曜如; Yao-Ju Wu
    隨着基因轉殖斑馬魚製備技術及相關分生檢測技術的不斷進步,斑馬魚用於神經科學的研究日漸增多,近有證據明顯示斑馬魚具有與人類相似的腦側化現象。本研究延續前人的理論基礎,利用改良之斑馬魚T字形迷宮空間記憶學習模式,藉以找出學習過程中,不同學習方向所導致之學習行為差異。並且進一步利用此差異,針對可能與空間記憶有關的端腦部位,進行不可恢復的雙側或單側手術破壞,觀察其於空間記憶學習行為之影響,以探討斑馬魚端腦是否具有類似人類的腦側化現象。 本研究中總共分為三部份實驗,第一部份利用大量未經處理之動物(naïve animal)進行測試,建立固定的標準訓練程序。此程序以訓練動物學習之方向可分為左側學習與右側學習兩種。實驗結果顯示,動物在往右側學習時,會呈現出學習曲線(p(naïve-R)< 0.0078),但往左側學習時,並沒有如此顯著的情況(p(Naïve-L) = 0.1409)。此外,右側學習組的動物在第一次選擇的表現上,其方向的決定會自高比例選擇左側轉變為高比例選擇右側,然而往左側學習的動物則並表現出接近亂數選擇的情況。 第二部份實驗是對動物進行全端腦的破壞手術,並依照第一部份之標準程序進行訓練。實驗結果顯示經假手術處理的sham組動物,其左側或右側學習結果均和第一部份的結果相似。但雙側端腦遭破壞之lesion組動物,右側學習組的動物並沒有呈現出學習曲線,而左側學習組的動物表現出較快的速度游入目標區,但第一次在交接處進行選擇時,動物並沒有直接選擇向左。第三部份實驗是對動物的單側端腦進行破壞,並和第二部分一樣使用第一部份之標準程序進行訓練,藉此觀察比較動物的學習表現。結果顯示,右側端腦對右側方向的學習,扮演較左側端腦更加關鍵的角色。而左側端腦則可能與動物的情緒處理上較為相關。 近期文獻提出之斑馬魚腦側化現象中,認為右眼系統在斑馬魚決定是否咬取食物與辨識熟悉物體時較為優先;左眼系統的功能則在觀察陌生環境或是辨認新物體。本研究結果顯示,目標區域所在的位置,亦即動物為左側學習組或右側學習組,對於動物的學習表現有其一定的影響。而斑馬魚只有在右側學習時會呈現出較接近傳統學習的模式。我們推測,這樣的差別其原因為斑馬魚的端腦具有功能性腦側化現象,而在右側學習模式,斑馬魚右側的端腦扮演了較為重要的角色。
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    以斑馬魚模式進行腦功能側化相關研究
    (2017) 吳曜如; Wu, Yao-Ju
    斑馬魚(Denio rerio)因其胚胎透明、容易飼養及觀察等優點,近年成為神經與發育生物學研究之新興動物模式。斑馬魚的神經系統與大多數硬骨魚類似,其端腦 (telencephalon) 的主要構造、相對體積大小、解剖位置及功能與哺乳類之邊緣系統 (limbic system) 相似,為一個易於操作的端腦功能研究模式。本篇論文即利用斑馬魚的各項研究優勢,進行三個部分的研究,以探討斑馬魚端腦的功能、相關之運作過程與訊息傳遞之機轉。在第一章中,我們延續先前的實驗成果,利用吸引法(aspiration)對端腦進行直接的破壞,以探究端腦在空間記憶形成上所扮演的角色,結果顯示端腦的左、右兩半球,分別對於空間及情緒性記憶 (emotional memory) 有著不同的影響,特別是在獲取 (acquisition) 及重新擷取 (retrieval) 的過程中,而對端腦進行單側破壞(unilateral ablation),均可干擾情緒性記憶的形成。在第二章中,由於過去文獻發現X染色體脆折症 (fragile X syndrome) 患者在腦側化 (cerebral lateralization) 的表現上受到影響,故藉著fmr1基因剔除品系斑馬魚,探討此斑馬魚身上,是否會呈現類似人類病患之異常情緒性行為,結果證實了fmr1之缺損,會造成斑馬魚情緒性行為之發展異常,也會干擾了抑制性逃避記憶 (inhibitory avoidance memory) 的形成。在第三章中,主要使用了電生理的實驗方式,探究斑馬魚端腦外側 (Dl) 到端腦內側 (Dm) 之訊號傳遞。我們發現不只通往同側的端腦內側 (ipsilateral telencephalic Dm region) 有訊號傳遞,而在對側 (contralateral) 端腦之內側亦有類似的訊號傳遞,並且兩側同時存在着代表神經可塑性的長期增强效應long-term potentiation (LTP) 及長期抑制效應long-term depression (LTD) 現象,兩者的作用機制需要麩胺酸NMDA及代謝性受體 (metabotropic glutamate receptor) 的參與;其神經可塑性之LTP與LTD模式,在左、右側端腦中的表現並非完全相同,這呼應了第一階段的實驗結果,進一步證實了斑馬魚的左右側端腦,在處理學習與記憶的功能時,扮演著不同的角色。最後我們也發現,有別於哺乳類動物,斑馬魚主要藉由前連合 (anterior commissure) 構造進行兩側端腦的訊息傳遞。 總結上述三階段的研究成果,可證明斑馬魚端腦中亦存在著腦側化的現象,而斑馬魚確實能應用於探討腦側化的機轉研究。
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    利用離體電生理模式探討斑馬魚端腦雙側之功能性連結及突觸可塑性
    (2016) 陳郁嵐; Chen, Yu-Lan
    腦側化(cerebral lateralization)為一種脊椎動物常見的現象,意指大腦兩側半球各自對不同的功能扮演較優勢的角色(dominant);腦側化對於生物個體的行為表徵扮演著重要的角色,例如人類的左右腦各負責不同類型的工作;又或是魚類會利用兩眼視覺系統,區別熟悉與陌生的環境。硬骨魚的端腦(telencephalon)被認為與學習和記憶的形成有關,特別是端腦的背外側區(dorsal lateral, Dl)及背中側區(dorsal medial, Dm)最為相關,前人利用螢光染劑DiI注射於Dl腦區後,可在Dm腦區偵測到螢光訊號,證明了Dl和Dm腦區間存在神經投射的連結。近年來,斑馬魚已成為探討學習與記憶、藥物成癮以及焦慮等行為非常重要的模式物種。從斑馬魚的胚胎發育研究以及行為觀察,已有充分的證據顯示斑馬魚腦部和哺乳類一樣,具有腦側化的現象,但關於斑馬魚端腦腦側化的研究卻非常缺乏。因此,本實驗目的為利用電生理技術探討傳遞到同側(ipsilateral)以及對側(contralateral)的Dl-Dm投射路徑的神經傳遞與突觸可塑性(synaptic plasticity)現象的異同。首先,實驗測得在單側的Dl給予電刺激,能夠在同側以及對側的Dm引發一個負電位的電場電位(negative field potential),還可利用高頻電刺激(high frequency stimulation, HFS) 及低頻電刺激(low frequency stimulation, LFS),分別誘發出長期增益效應(long-term potentiation, LTP)以及長期抑制效應(long-term depression, LTD) ,這兩項均為探討神經突觸可塑性的重要性指標。實驗中利用連續五次的HFS (每秒100 Hz)來誘發LTP,結果顯示在同側及對側的Dm腦區所誘發的LTP現象,此外,如預先投予NMDA受器的拮抗劑D-AP5 (30 μM)10分鐘後才進行誘發,可完全阻斷對側LTP的產生。但將D-AP5藉由灌流廓清後,則又可重新利用HFS誘發出LTP。由此證實了HFS所誘發的對側LTP,需依賴NMDA受器的活化。將左右兩側誘發的LTP實驗結果,經交叉比對分析後發現,從左側及右側的Dl給予HFS,所誘發出的同側LTP會有所差異,從右側誘發出的LTP強度會比左側誘發的小,而單從右側Dl誘發的LTP而言,其訊號強度同側會較對側的小。本實驗接着以LFS (每秒1 Hz)持續刺激20分鐘,或是投予代謝型谷氨酸受體興奮劑DHPG (40 μM) 10分鐘來誘發LTD,兩者都能誘發出至少維持一小時的LTD現象。而我們將以代謝型谷氨酸受體興奮劑DHPG所誘發的同側及對側結果比較後,我們發現對側的抑制效果較同側好。另外,Dm腦區所誘發的電場電位可以分成突觸的(synaptic, P1)以及非突觸的(non-synaptic, N2)組成,而對側Dm腦區的P1時間較同側Dm腦區的時間長,可能造成的原因為對側端腦的紀錄點較同側端腦紀錄點的距離更遠,因此有對側P1時間較同側長的現象。另外,藉由即時聚合酶鏈鎖反應(Real-time polymerase chain reaction, Real-time PCR)技術,我們發現NMDAR1a受器的mRNA在左側端腦的表現上高於右側端腦的趨勢。綜合而言,本研究的重要發現為首次觀察到斑馬魚端腦的Dl腦區和Dm腦區之間,存在著同側以及對側神經連結的突觸可塑性現象,並運用了電生理模式證明了斑馬魚端腦具有腦側化的現象。本研究成果將有助於日後為利用基因轉殖斑馬魚探討端腦腦側化分子機轉奠定基礎。