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用大數據從基因序列抽絲剝繭出思覺失調和腦中風的片段,然後呢?

活動記錄/陳妤寧

由資策會和工業局主辦的「智慧醫療新契機」的三位講者黃玉華、查怡和溫在弘分別從基因醫學和公共衛生的角度來談談,在他們的科學領域之中,那筆重要的大數據到底是什麼?

黃講師

美國麻省總醫院、麻省理工學院、哈佛醫學院的研究員黃玉華博士,在PanSci「智慧醫療新契機-智慧化長照新科技應用的契機」講座中用科學角度讓人打破對「精神分裂症」的刻板印象。

「如果我今天的演講能夠激起你對於科學一點點的興奮感,那麼它也許就會成為你日後追求知識或是職涯中的燈塔。」

黃玉華博士是美國麻省總醫院、麻省理工學院、哈佛醫學院的研究員,專長為高階心智功能的腦造影研究,近年的研究則以尋找思覺失調症(舊稱精神分裂症)之腦造影生物標記為主。而她在「智慧醫療新契機」講座中談的最多的是:人類應該怎麼看待科學。

「判有」精神分裂症 ≠ 「有」精神分裂症

「即使今天有一千個醫生判定一個人有 Schizophrenia(思覺失調症,舊譯精神分裂症),這也未必代表真相。」黃玉華拿起麥克風,一開口就這麼說。儘管身為一名科學家,她呼籲我們應該保持對自然的謙卑-不要以為能用科學控制一切,也不要以為今日的科學發現、不會在明天被新的證據所推翻。(延伸閱讀:【科學史上的今天】10/12——最有爭議的諾貝爾醫學獎

「當今天我們用『症』、『症候群』而非『病』來形容思覺失調症時,這代表醫學界還沒辦法明確界定它的範圍,包括自閉症、憂鬱症、亞斯伯格症候群等等,你無法將人分為『有病』和『沒病』的兩群,這些病症的存在更像是一個光譜-我雖然症狀不嚴重,但我也有一點點病。」(延伸閱讀:瘋與不瘋,誰說了算?

黃玉華解釋,思覺失調症具有正向症狀和負向症狀-別人沒有而患者有的症狀,就是正向症狀,例如妄想。「不過,有時候他們所相信的不可思議之事,也可能是真的啊。例如水門案中的調查員費爾特認為自己被跟蹤,後來才被證明真有其事。」而負向症狀,指的就是別人擁有而患者失去的能力,例如情緒和意志力。「最常見的狀況是,思覺失調症的病人表示他們的特定行為是被一個神祕聲音所指使的。我們有時也覺得自己『幻聽』了、說是『撞鬼』了,但思覺失調症的病人會順從那聲音去做某件事,這是比較嚴重的。」

種種實際影響生活和社交六個月以上的症狀,必須持續的發生而非偶一為之、才能夠被斷定為具有思覺失調症。「這種診斷方式,當然不是很好。在醫學上,我們有沒有可能找到一個生物標記、使思覺失調症就像糖尿病一般,今天測出來不管你自己說有或沒有、如山的鐵證就是躺在那裡?目前我們對思覺失調症的瞭解仍然不足以達成這步。」思覺失調症的真相,就和所有科學的真相一樣是持續追求的過程。

聽眾

PanSci「智慧醫療新契機-智慧化長照新科技應用的契機」,在2016/3/17由資策會和工業局舉辦。

基因不是全部的故事

全世界人口的1%有思覺失調症,科學家嘗試從基因中找答案。不過黃玉華先預告,即使是擁有相同基因的同卵雙胞胎,其中也有 52% 並不會同時擁有思覺失調症。「這代表什麼?即使我的雙胞胎兄弟姊妹被診斷有思覺失調症,我也有52%機率是健康的。這代表什麼?表示基因不是100%的理由,環境也有影響,人是可能拿回主控權的。」

另外,也有些思覺失調症病人的兄弟姊妹,在16~18歲的青少年時期發病、但在20歲又恢復健康。「你怎麼詮釋這個世界,會決定你的身體怎麼因應他。」黃玉華再三強調,雖然很多理論仍在嘗試做出解釋,但環境因素的確扮演很大角色。「曾有個實驗告訴其中一組清潔婦受試者,他們所做的事情相當於在健身,數月之後,這組清潔婦的體能較另一組大幅增加。信念的改變能夠影響身體甚鉅,有時即便已被告知該藥是安慰劑,也對受試病人產生了正面作用。」

找出思覺失調起因的嫌疑犯,關鍵就在基因大數據

今年年初的一則科研消息,大大振奮了黃玉華和他的研究世界。哈佛大學遺傳學副教授麥卡羅爾(Steven McCarroll) 發現,擁有 Complement Component 4、簡稱「C4」這種基因變異者,大腦中的「突觸修剪」(synaptic pruning)過程速度會加快;擁有 C4 基因者,得到思覺失調症的比例也遠高於不帶這種變異者。「C4 的任務是調控體內的補體蛋白質,一旦免疫系統出了問題、就跑去清理被殺死的細胞;但一旦他跑去大腦和心狀細胞聯手修剪突觸、若修過頭可能就會使大腦無法正常運作了。」

神經元

照片中神經元間的綠色者為 C4 調控的補體蛋白質。(Heather de Rivera/McCarroll Lab/Harvard via AP)

哈佛決定要針對 C4 基因深入研究,也許是一種天才或是運氣的直覺決定,不過哈佛找出 C4 的過程,其實就是運用數學方法去解一道生物醫學習題。「C4 這種基因有非常多種變形,這就像是,你今天正在追查的一個嫌犯,你只知道他住在波士頓、只知道他的電話前三碼;但是他的身分會一直轉變:他可男可女、他可能變成兩個人、他也可能是個小孩……」

要怎麼研究呢?哈佛利用人體基因資料庫中的龐大資料-包括三萬七千名思覺失調症患者的基因、以及十一萬健康者的基因資料互相比對。「C4 的結構裡有太多種SNP變化的可能性、並和遺傳有所關連。他們手上沒有 C4 的資料,只有既有的 SNP(單一核苷酸多態性)基因圖譜,於是他們做的事情相當於建立一個龐大的對照表,利用這幾十萬人的基因資料,去把每個 C4 有可能對應的 SNP 改變全部查出來。」這筆用以分析的資料,想必就是一種具體的大數據了。「結果證明,C4 產生的補體蛋白質越多,的確和思覺失調的關連就越高。但!我們只能說 C4 是個有力的嫌疑犯,尚不能斷言它就是唯一的兇手。」

「1861年,科學家才發表論文指出人類形而上的心智功能、是建立在大腦這樣物理性的存在而生。但如今,我們不但能知道你的大腦在運作,還能利用視覺化科技重現你腦中看到的東西!腦科學的發展,太需要資料和工具了。」黃玉華不想只談科技進步的讓人興奮之處,她反道而行、再三提醒-當我們急著用藥去阻斷 C4 或補體蛋白質,我們也在冒著打亂身體中另一處某個重要機能的風險-人體就和大自然一樣,有著自己的生態平衡。在科學研究中追求真相固然迷人,但也不能忘卻對於自然的那份謙卑。

找腦中風基因,也要電腦演算法的幫忙

黃玉華說,大數據分析其實是在醫學上一直存在的方法,但自從用到商業之後開始廣泛引起大家的興趣。而查怡從事她的腦中風基因研究的博士論文時,也沒想過那會是如今火紅的大數據。

查怡

現任職於資策會國際處的查怡博士,過去在美國肯塔基州路易維爾大學解剖科學與神經生物學系研究腦中風基因序列,也是她本次在PanSci「智慧醫療新契機-智慧化長照新科技應用的契機」講座中主要分享的內容。

「我們努力想預防中風,但有時即使年紀輕輕、飲食得宜,中風還是說來就來。」在基因序列中,能找到和腦中風有關的那一段嗎?

儘管主題完全是生物,但查怡的方法,可以說非常數學、也非常傾向電腦科學。為了研究腦中風基因序列的比較,「一段一段來檢查長得一不一樣,這個過程就需要透過電腦演算。」

PDE4 是磷酸二酯酶的一種,也是很多醫學人員的研究對象。若血液中 PDE4 產生的特定蛋白質比例增高,也會隨之影響中風的風險。「我的運氣好,利用了電腦演算比對出一些過去 PDE4 沒有被發現的選擇性剪接-包括一些雖然長得很像、但寬度不同者,它們會轉譯出不同的蛋白質來影響生理狀況。電腦推算出的假設,必須更進一步透過生物實驗去證實;所以我的指導老師以田鼠實驗、證實了這些新序列片段的存在。」

數據越多、運算越快、越能幫助醫學一臂之力

AI人工智慧,能夠自己完成尋找基因序列的旅途嗎?查怡認為,在大數據的邏輯中,若分析的材料越多,醫療判斷就能獲得更多的依據;而越多的分析材料,意味著仰賴日漸進化的電腦演算速度。「過去要花一年運算的基因序列,現在你只要花一千塊,就能幫你在一個月內找出你的潛在發病基因。」黃玉華也補充,AI一直以不同的面貌存在於醫療科學,在 try and learn 的過程中嘗試最佳化的運算方式。

基因檢測之後的道德難題

來到現場的聽眾,除了有相關從業人員提出醫學上的疑問,還有更多是對醫療和道德之間的有趣討論。黃玉華說,疾病對藥商而言等於商機。「於是,他們喜歡把所有症狀都詮釋為各種疾病。They make people insane. 而為了解決你的恐懼,方法就是你要吃藥吃一輩子。」查怡則說,除了藥商之外,保險公司也想賺你的錢。「基因檢測真的這麼棒嗎?有很多病人家屬並不願意做基因檢測和預防性治療;另一個問題是,當你做了基因檢測,保險公司能否以這筆資料中你所擁有的某些基因為由,拒絕讓你投保?」

看來在突破人工智慧的極限之前,我們要先回到二十年前桃莉羊誕生時即困擾著我們的道德問題-當科技真的賦予了我們充分的選擇、我們該怎麼選擇才好

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