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人腦螢光圖譜

2014/05/27 | | 標籤:

sm147-32

大型腦科學研究積極研發光遺傳學等創新技術,希望闡明世界上最複雜的機器:人類大腦的神經元活動,是如何產生思想與情緒。

撰文╱尤斯特(Rafael Yuste)、邱契(George Church)
翻譯╱涂可欣

重點提要:

  • 人類大腦以及其形成意識與情緒的方式,一直是最大的科學謎題。
  • 為了能更了解大腦,神經科學家需要新工具來分析神經迴路的運作。
  • 可記錄或控制腦神經迴路活動的技術或許能解決這需求。
  • 美國歐巴馬政府正展開大型研究計畫,以研發這類科技。

儘管100多年來的持續研究,腦科學家對重約1.3公斤、掌管人類所有意識活動的器官其運作方式,仍一知半解。許多科學家想藉由研究簡單生物的神經系統來解開這難題。然而,研究人員繪製出線蟲(Caenorhabditis elegans)的302個神經細胞的連結圖,至今已過了30年,這個神經連結圖卻未能讓我們了解進食和性交等最基本行為如何產生,我們缺乏的是神經元的活性與特定行為相關聯的資料。

我們熟悉的腦電圖(EEG)是德國生理學家柏格(Hans Berger)於1920年發明的,靠著放在頭顱上的電極測量顱下超過10萬個神經細胞的活性。EEG記錄了毫秒內腦波的振動起伏,不過無法看出某個神經元是否活化。再者,可以產生活化腦區彩色亮點圖案的功能性磁共振造影(fMRI),是以非侵入性方式記錄整個大腦活動,但速度慢且空間解析度差,每個立體像素(voxel)約含八萬個神經元。此外,fMRI並不是直接追蹤神經活動,而是偵測立體像素內血氧流動的變化。

要了解大腦活動的浮現模式,研究人員需要能記錄數千個神經元的新感測儀器,奈米科技加上可測量比分子尺度還小的新材料將能協助大規模記錄。現有的原型陣列其矽質底盤上有超過10萬個電極,這樣的儀器可記錄視網膜上數萬個神經元的電生理活性。若進一步改良這項技術,還可把陣列堆疊為立體結構,或縮小電極避免傷害組織,並加長中軸以深入大腦最外層的皮質。這些發展能讓我們記錄病患數千個神經元的活動,並且能同時分析每個細胞的電生理特性。

斑馬魚螢光實驗燃起希望

電極只是追蹤神經元活動的其中一個方法,現在實驗室也開始引入電感測器之外的辦法。生物學家藉由物理學家、化學家和遺傳學家研發的技術,來觀看動物在清醒狀態下進行日常活動時的神經元活性。

我們可從去年美國霍華休斯醫學研究中心阿赫倫斯(Misha Ahrens)的實驗,一窺未來可能的應用。阿赫倫斯用斑馬魚幼魚進行全腦顯微造影,斑馬魚是神經科學家最喜愛的實驗動物之一,因為魚身全身透明,很容易檢查其內部(包括腦部)。在阿赫倫斯的實驗中,經過基因改造的斑馬魚神經元會在細胞活化、鈣離子進入細胞時發出螢光,再用一種新型顯微鏡投射光線,照亮整個器官,並由照相機連續拍錄下神經元發出螢光的照片。

這個可追蹤神經迴路電生理活性的技術,稱為「鈣離子造影」,是由本文作者尤斯特所研發,能記錄斑馬魚10萬個神經元中約80%的神經細胞活動。結果發現,當斑馬魚在靜止時,神經系統中許多區域會以謎樣的模式開啟和關閉。自從柏格發明了腦電圖,研究人員就知道神經系統是處於一直活動的狀態。斑馬魚實驗讓科學家燃起希望,或許能用新造影技術來解開神經科學領域的重大挑戰:了解一大群神經元如何持續而自發性地活動。

斑馬魚實驗僅是個開端,神經科學家還需要更好的技術來探究腦神經的電生理活動是如何產生行為。我們需要設計新型顯微鏡來同時記錄神經元活性。此外,要追蹤快速活化的神經元,鈣離子造影顯然緩不濟急,也無法測量可平息細胞內電活性的抑制信號。

 

刊載於《科學人》2014年第147期5月號

關於作者

科學人

《科學人》雜誌-遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。