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會如何向小朋友介紹你的研究?運動神經元研究職人陳俊安專訪

科學家如何孕育實驗靈感?不只限於實驗室,也能是馬拉松賽場,甚至是和小朋友的交流中!中研院分子生物所的陳俊安團隊,從發育生物學的角度出發,研究運動神經元發育和退化的過程,期望能協助發展漸凍症的精準醫療。

在陳俊安的實驗室網站引述著 Roger Penrose 這段話,與外太空相比,人類的大腦更加精巧複雜,激發陳俊安渴望了解人體本身的發育生理機制。 圖說設計/林婷嫻、張語辰

生出健康的小孩理所當然?那一定是沒有讀過發育生物學

每一位讀了發育生物學的人,都會覺得要生出一個健康的小孩有多困難。

要發育一個胚胎,每個成長環節都要被精確地調控,自然界演化出一套模式克服外在的干擾,讓胚胎維持在穩定的狀態,才得以發育成功。發育生物學(Developmental biology)就是在了解基因如何調控細胞生長、分化、產生形態,進而使生物體形成組織和器官。

顯微鏡下的小鼠胚胎,發著綠光的線條是中樞神經系統神經元的軸突。 圖片來源/陳俊安提供

為什麼想研究「運動神經元」?

之前在英國劍橋大學讀發育生物學博士時,運用「非洲爪蟾」這種模式動物來尋找胚胎裡有什麼重要的基因會影響胚胎發育,例如胚胎的「中胚層」會分化成肌肉和心臟。

在博士班的第一年,我篩選了兩千多個和中胚層有關的基因,一個一個觀察各個基因在胚胎裡的表現。常常一個人作微注射到三更半夜,因為爪蟾胚胎在第一次分裂後注射基因去大量表現,要等六到八小時才會開始發育中胚層。

有時為了能回家跟太太共進晚餐,又不想耽誤實驗的進度,冬天的時候會把胚胎帶回家放在室外,半夜一兩點起來再將胚胎做甲醛固定。因為冬天天氣較冷,室外溫度跟冰箱一樣,可以直接放室外整夜。

我最後選擇一個還沒有被報導過的基因深入研究其功能,這個基因只會在「運動神經元」表現出來,查了很多文獻後發現沒有人研究過這個基因。我覺得很有趣,就一頭栽下去研究運動神經元、直到現在。

新穎基因在非洲爪饞的胚胎上表現像一個笑臉(左),後續會控制運動神經元的發育(右)。 資料來源:Identification of novel genes affecting mesoderm formation and morphogenesis through an enhanced large scale functional screen in Xenopus。圖說重製:林婷嫻、張語辰

我們每天站立的姿勢、行走運動,都是由「運動神經元」調控。藉由了解運動神經元發育的過程,希望了解一些運動神經元疾病發生的原因。我們實驗室比較專注在受精卵發育成胚胎的過程,例如胚胎裡的運動神經元是怎麼建立,但現在有一半人力進入研究運動神經元退化的疾病。

越了解運動神經元如何發育,就越能知道它如何退化。

陳俊安團隊從小鼠胚胎幹細胞(ES cell)培養的運動神經細胞。在培養皿中沒有肌肉可抓,運動神經元的軸突四處延伸。 圖片來源/陳俊安提供

五年前我從美國回台灣時,因緣際會認識高雄醫學大學副校長──鍾育志醫師(現為交大生科院院長),他也是台灣脊髓肌肉萎縮症(Spinal Muscular Atrophy, 簡稱 SMA )病友協會的理事長。另外,我們現在的實驗室位置,是接續中研院分生李鴻老師的實驗室空間,全世界第一隻脊髓肌肉萎縮症(SMA)模式小鼠,就是在這裡建立。

李鴻老師過世後,台灣這部分的研究就消失了。彷彿冥冥中有一種機緣,讓我來到中研院分生所這裡,正好我也是研究運動神經元,就和鍾醫師討論如何延續這方面的研究,開始了合作模式。像是建立台灣第一個人類的脊髓肌肉萎縮症(SMA)的 iPSC(誘導性多功能幹細胞),並將它們分化成各式不同的運動神經元亞型(subtype),並研究 SMA 為何只有運動神經元會退化,再尋求看看可能有什麼治療的方式。

今年鍾醫師邀請我參加脊髓肌肉萎縮症病友大會,看到這麼多小朋友因為運動神經元的問題,終生得坐輪椅,覺得很震撼,回來就覺得要更努力找到造成運動神經元疾病的原因。很多研究都是在之後會發現……很多東西一開始都沒想到!這是基礎科學研究有趣的地方,跟轉譯醫學之間沒有衝突,不管從哪邊開始,最後都是相通的。

如何找到實驗靈感?

中研院分子生物所經常邀請國際學者來演講,演講完也會和學生、研究員交流。正好有一次一位國際學者和我們實驗室學生聊天,發現學生們除了研究之外,生活有點無聊,只有看電影、看書、看小說。後來我們就利用實驗室群體的壓力(笑),一起挑戰 21 公里半程馬拉松。

2016 年陳俊安團隊參加半程馬拉松,開跑前充滿能量。 圖片來源/陳俊安實驗室

實驗室很多人都沒有跑過馬拉松,成績是一回事,但每個人都跑完了。我們做研究最辛苦的永遠是「最後一哩路」,如果沒有堅持走完,就前功盡棄。藉由這個馬拉松,大家一起堅持、完成的感覺蠻好的。

做實驗時,是什麼感覺?

我以前在中正大學念的是化學系,雖然學習到很多化學知識,但直到在台大生物化學所讀碩士班時,才開始真正在顯微鏡下看到各種化學分子對於生命發育過程的調控,我永遠無法忘記第一次在顯微鏡下看到老鼠精子活動時的震撼。

我熱愛做實驗的過程,這包含所有的實驗,不僅只是實驗室裡的研究。我大女兒出生時,看到那小小的嬰兒,真的很感動。在她出生第一個月,我會透過各種「實驗」來理解她,像是調控吃東西的時間,或是以十二小時為單位開燈關燈、讓房間內白天黑夜的時間變化固定,看看哪種情況下她的表現會最快樂。

我上班開車時也會走不同的路徑,會特別計時比較哪一條路徑最順暢,同一路徑都會走許多次,統計平均值後再尋求最佳途徑。我深信唯有透過科學實驗的精神,才能找出解決問題的最好方式。我喜歡嘗試各種實驗、也不害怕失敗,希望能藉此找到最有趣的研究課題。

會如何向小朋友介紹你的研究?

2016 年中研院舉辦院區開放活動時,我們實驗室第一次嘗試帶著小朋友參觀,當時設計了三個實驗。

第一個是讓小朋友在顯微鏡下觀察自己的頭髮,因為顯微鏡下看到的、和肉眼看到的很不一樣。第二個是將乾冰放在水裡冒泡,並加入會隨著不同酸鹼值變色的化學成分,當乾冰的二氧化碳釋出,水裡的酸鹼值會跟著改變,就會看到乾冰溶液從紅色、變成粉紅色、再變成黃色,如果再加入漂白水就會再變成紫色。

小朋友擠在一起看乾冰釋放二氧化碳,溶液隨著酸鹼值改變而有顏色變化。 圖片來源/陳俊安實驗室

第三個跟我們研究比較相關,是讓小朋友觀察「雞胚」。一般我們吃的是沒有受精的雞蛋,我們跟家禽中心買受精後變成胚胎的蛋,小心把蛋殼剪開可以看到小雞的胚胎,包含心臟的跳動。小朋友可以看到不同期間的胚胎,發育三天、五天、十天,從一開始胚胎很小要用顯微鏡才能看得到,長大到肉眼也看得到。

那時有一個小朋友問說什麼是「受精」,我們就要想一個小朋友會懂的方式來解釋:「就像每個小朋友都是爸爸媽媽受精之後才會有你們,小雞也是一樣,小雞的媽媽要先遇到小雞的爸爸……」。

小朋友們瞪大眼睛,好奇地看著陳俊安實驗室成員手中的小雞胚胎。 圖片來源/陳俊安實驗室

在我們唸書的年代,大部分都在準備考試,沒有很多機會操作實驗。科學相關的課本只是強背,但透過實驗、眼睛親自看到,記都不用記,那個印象就會烙印在心底。當小朋友看過小雞胚胎,將來讀到生物體的發育時,就會有粗淺的印象。讓小朋友在很早的時間點接觸、產生興趣,未來就有機會投入相關領域。

台灣的小朋友大多比較安靜,就看著你弄、發出驚嘆,對實驗室裡很多東西都很有興趣。除了小朋友,爸媽好像也玩得蠻開心(笑)。

希望有更多機會讓小朋友操作實驗,因為在顯微鏡之下,看見就是相信。

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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook