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擁有人腦的老鼠?人腦類器官首次成功移植到其他物種

李紀潔、羅鴻
・2018/05/30 ・2856字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

索爾克研究所(Salk Institute)科學家手中的小鼠外表和行為就跟牠的同類一模一樣,除了······頭上有特製玻璃覆蓋著開洞的頭殼,以及腦中植入了人類的迷你腦!

實驗中被移植的人腦類器官大小約碗豆一般,利用宿主的養分和血液讓它可以存活長達幾個月的時間。此結果刊登在4月的〈自然-生物技術(Nature Biotechnology〉期刊上,這也是第一次這是第一次科學家成功將人腦的「類器官」(Human brain organoid)移植入其他物種。

將人腦類器官組織(圖中綠色的部分)移植到小鼠組織當中;紅色的部分是神經元。
Credit: Salk Institute

科學家們看到這令人興奮的結果並不自滿,他們要緊接著使用這樣的系統去觀察人腦的發育,及測試類器官移植是否能應用在修補腦發育異常或損傷的部分。同樣使用人腦類器官以研究思覺失調症(schizophrenia)的紐約州立大學的神經科學家Michal Stachowiak特別評論道:

「這是科學技術上很大的進步,成為再生醫學中使用類器官的重要起點。」

什麼是人腦類器官?

科學家們在 2013 年利用幹細胞創造出最初的人腦類器官:這些類器官擁有類似胚胎時期的腦結構,同時能產生數種不同種類的腦細胞。而在進一步的調控下,人腦類器官在當時已能重現例如像是提摩西症候群Timothy syndrome)等神經發育疾病的病徵。研究員們認為類器官是個比實驗動物或細胞培養更為貼近實際人腦狀態的實驗模式(model),讓科學家能夠揭開人腦發育的秘密,並作為潛在療法和基因編輯的測試平台。

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產生人腦類器官的大概步驟為促使人類幹細胞先分化成腦細胞,並讓他們長到幾毫米的大小形成類似於大腦有空腔的球狀結構。其中,類器官的腦細胞可以像正常的新生腦細胞從內而外遷移的方式(inside-out migration)形成類似腦皮質(cortex)的樣子,甚至具有完整的神經細胞電生理活性。

人腦類器官在培養下會形成3D結構,一顆類器官可能具有多個類似大腦的空腔球狀結構。人腦類器官可以形成神經幹細胞(綠色)和神經細胞(紅色)並座落在預期的發育區域。 圖 / 原始研究提供

但是人腦類器官要比擬真實的人腦仍是有極限的,當他們長到幾毫米大時,氧氣和養分便沒有辦法傳遞給最內部的細胞。

「在我們手中,類器官長到五週大後便停止生長了。即便使類器官撐到十週的時間,連最易取得養分的外層細胞也會跟著死亡。實驗也只能停止了。」本篇研究的通訊作者Fred Gage教授這麼說到。

因此,如果科學家要使人腦類器官能繼續成長到類似八個月大的胎兒腦結構,他們首先要克服的如何提供氧氣和養分給人腦類器官中每個細胞。而植入人腦類器官到老鼠的大腦中將能夠提供他們發育和成長所需要的一切養分!

老鼠成為培養人腦類器官的大功臣

首先,研究團隊準備在培養皿培養 31 到 50天的人腦類器官,接著他們移除了小鼠大腦的一小部分並將類器官移植到當中。這些人腦細胞已帶有綠色螢光蛋白的基因,所以科學家們可以透過老鼠頭上的透明窗口觀察移植的類器官。

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人腦類器官移植簡圖和移植結果。圖 / 原始研究提供

在 200 多次的移植中,八成的實驗都在 12 周內長出了新的神經,包含了人腦皮層特有的區域、神經膠細胞像是星狀膠細胞(astrocyte)和神經幹細胞等等。最令人開心的是,移植 14 天後類器官幾乎都長出了複雜完整的血管以供應他們充足的氧氣和養分。這樣的環境足以上他們存活到 233 天,他們的形狀和細胞成熟的程度約莫等於新生胎兒的腦。

人腦類器官移植後可以看見血管生成,以供給細胞養分。圖 / 原始研究提供

這些移植的類器官也長出了作為生物腦中神經電線的軸突,不只延伸到小鼠的其他腦區中,還橫跨到了另一個未被植入的大腦半球中。人腦類器官和小鼠大腦的的神經連結相當的穩固,因此科學家們也能觀察到同步的神經活動。

人腦類器官能夠和小鼠的大腦形成突觸。白色訊號表示人腦類器官的樹突,綠色(hSyn)為人腦類器官軸突末端(axonal terminus),紅色(PSD95)則代表小鼠的樹突棘(dendritic spine),當綠色和紅色訊號重疊時表示該處有突觸生成。

科學家們使用顯微鏡觀測神經活性,可以觀測到人腦細胞具有自然同步放電等行為,且此網路在間隔三個月的觀測中仍可以維持一致。

「當神經同步放電,這表示他們不但有連結,還能互相溝通並形成網絡」這篇研究的第一作者Abed Mansour表示。

人腦類器官在鼠腦中可以形成穩固的神經網路。圖 / 原始研究提供

帶有人腦細胞的小鼠不一樣?

早在去年11月在Society of Neuroscience的年度會議上,此團隊已公開描述了他們的實驗。而生物倫理學家(bioethicists)紛紛問起:

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「人腦類器官移植會不會影響老鼠的智商、意識以及他們的自我認同(identity)?」

人腦類器官移植會不會影響老鼠的智商、意識以及他們的自我認同(identity)?圖/pxhere

現在這篇發表的論文中明確地描述了人腦類器官是如何的嵌入到老鼠的大腦中,並同時回答了大家的一大擔憂:

至少就目前科學家所測試的實驗中,移植人腦類器官的老鼠看起來並沒有什麼不同,跟一般的實驗鼠相比也沒有比較聰明。

雖然有了人腦的植入,但是這些老鼠並沒有學的比較快。科學家們讓老鼠們在一個有 20 個洞的圓形平台上尋找能夠離開的通道,雖然人腦老鼠第一天犯的錯誤比較少,但是第二天測試後並沒有明顯的差異。

植入人腦類器官的老鼠在空間記憶上和控制組並沒有明顯差異。

對於動物行為的測試結果,Gage 認為他們仍然需要更多的實驗來驗證才能回答這些他人所提出的問題,並且也不排除除了此項行為測驗之外,人腦老鼠可能有其他的行為尚未被檢測出來。

雖然帶著人腦的老鼠乍聽之下有點科學怪人般的驚悚,但是本篇研究提供了一個嶄新的大腦發育模式,無疑是神經科學研究和再生醫學的一大福音。希望在不久的將來能夠看到此模式被應用於更多的科學研究上,並能讓更多為大腦疾病所苦的人帶來一線希望。

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參考資料

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李紀潔、羅鴻
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來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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台灣第一人 邱文泰獲選國際顯微攝影競賽評審
顯微觀點_96
・2024/06/28 ・4750字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自顯微觀點

曾擔任 2023 Taiwan 顯微攝影的評審、成大生醫光學影像核心平台主持人邱文泰,被選為 2024 IOTY 的亞太區評審代表,是台灣第一人!

細胞狗仔隊 專拍細胞不為人知的一面

「我是細胞生物學的愛好者,我們實驗室團隊是細胞生物學的狗仔隊,專拍細胞不為人知的一面。」成大生醫工程系主任邱文泰,帶著笑容自我介紹。

邱文泰專精於活細胞分子造影、光遺傳學以及變化多端的細胞內信使:鈣離子對細胞生理機能的調控。他與團隊近年的重要研究之一,是以光遺傳學精密調控細胞內鈣離子濃度波動,觀察鈣離子如何影響細胞遷移(cell migration)。

20 世紀後半葉,生醫學界逐漸發現鈣離子是功能繁複的細胞訊息傳遞者,可調控授精、細胞增生與死亡、學習與分化,也參與細胞遷移、活化特定轉錄因子。

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傳統生化科技如藥理、化學、物理方法,無法在時間、空間上精準調控與觀測活細胞內的鈣離子變化。細胞如何讀取鈣離子濃度波動(calcium oscillation)訊號,如頻率、幅度等,還是一個待解的謎題。

以光操縱鈣離子通道 解碼鈣離子波動訊號

邱文泰團隊運用光遺傳學(Optogenetics)技術,將人為編輯過的光敏感鈣離子通道蛋白 CatCH(calcium translocating channelrhodopsin)基因轉染(transfect)進入人類骨肉瘤細胞(U2SO)。位在細胞膜的 CatCh 蛋白一旦吸收藍光,就會開啟鈣離子通道,讓胞內的鈣離子濃度快速提升。

光線停止照射,CatCh 就不再輸入鈣離子,細胞原本的平衡機制開始作用,將鈣離子排至胞外(或內質網中),造成細胞質的鈣離子濃度起伏。因此實驗團隊能精密調整骨肉瘤細胞的鈣離子波動,並結合螢光顯微術觀測細胞狀態。

他們以大量表現 Catch 的骨肉瘤細胞(U2OS-CatCh)作為鈣離子波動的主要實驗對象,以藍光照射細胞,調整細胞內鈣離子濃度波動的幅度、週期、頻率、時間等參數。

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在模擬傷口癒合的實驗中,培養皿中間表面被留下一道未被細胞覆蓋的空地,兩側細胞會逐漸往中間遷移、會合,直到將空地填滿。此細胞遷移的過程與人體傷口癒合相似,也與癌細胞在人體擴散的機制有關。

細胞遷移需要細胞骨架與細胞內諸多蛋白質分子聯合運作,參與的分子間還會彼此調控、影響。不同的細胞內訊息分子(即第二信使,second messenger)分別調控不同的蛋白分子路徑。鈣離子在其中的角色眾說紛紜,科學界對詳細機制的認識猶如管中窺豹。

邱文泰團隊發現,對 U2SO-CatCh,0.01 赫茲的藍光照射可帶來顯著高於對照組的細胞遷移量。在 0.1 赫茲的光照下,細胞遷移量卻比沒有照光的對照組更低。

參與細胞遷移的重要轉錄因子 CREB, NFAT, NF‐κB 也由不同強度的鈣離子波動活化,NF‐κB 由較低的鈣離子濃度活化;NFAT 由較高的鈣離子濃度活化;而高或低的鈣離子濃度波動都可以活化 CREB。

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他們的研究不僅印證鈣離子波動可調節癌細胞增生、遷移的理論,也發現鈣離子波動頻率、幅度並非愈高就愈有效。若以 10 赫茲的藍光照射 U2SO 培養皿一個小時,90% 的細胞會死亡,死亡率遠高於波動頻率較低的組別。

透過光遺傳學技術對細胞進行時間、頻率的精準刺激,邱文泰團隊發現鈣離子作為細胞第二信使,能攜帶的訊息比過往的想像更加龐大。也推進了鈣離子訊息的解碼技術,在癌症研究、轉錄因子活化機制研究上,都可能帶來幫助。

堅持研究活細胞,以影像探索未知

熱衷細胞生物學的邱文泰說,「要當細胞狗仔隊,就要有好的相機大砲,才拍得到細胞生活的秘密。」他認為,現代細胞生物學必須要以活細胞為研究材料,才能深入了解細胞生理機制。而拍攝細胞生理活動的顯微設備,是細胞生物學家依賴的重要工具。

邱文泰早期拍攝的「藍眼」:以 FRET(Fluorescence resonance energy transfer)技術拍攝 STIM1 分子和細胞膜上 Orai1 分子結合,帶螢光蛋白的目標分子結合時發生能量轉移,STIM1 會將螢光能量轉移給 Orai1,使其發出橘色螢光。

邱文泰認為,現代的細胞與分子生物學不同過往,需要以影像證據說服科學家同儕。研究發表的依據不再是間接量化的座標點、折線圖、柱狀圖,他說「現在顯微影像是不可或缺的,甚至立體影像才是學術發表的標準。」

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邱文泰分析,隨著類器官(organoid)、層光顯微術(light sheet)、生物組織澄清化(tissue permeabilization)等顯微技術逐漸成熟,精密顯微影像會在生醫研究領域被視為理所然的科學依據。

回想早期接觸的生物學技術,邱文泰笑說,「我那時的研究生都有一件實驗用『戰袍』,上面遍佈黑色斑點,是在暗房被顯影劑沾到的工作痕跡。現在的實驗都用數位影像,研究生恐怕連底片長什麼樣子都不知道。」

邱文泰回憶,數位顯微影像甫推出的時候,學術圈同儕普遍擔心著名期刊不接受新式的數位影像。「誰知道兩三年後,再也沒有人在暗房洗底片!接下來的細胞生物學家,實驗衣都很潔白。」

邱文泰說明,生物學研究會隨著技術演進,愈必要的技術,帶來的改變愈快。他舉例道「傳統的顯微影像以 2D 形式為主,對生物體的模擬有限。3D 影像將是未來生物學研究不可避免的趨勢。」

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不僅植入螢光蛋白、使螢光蛋白遺傳、分子標定等技術成為細胞生物學研究的基本配備,科學家還需要精密的顯微設備才能拍好實驗成果。

生醫光學影像核心平台 共享儀器降低門檻,帶來交流

邱文泰說,儀器的成本與操作的確會形成實驗門檻,因此成大醫學院營運生醫光學影像核心平台,聚集校內學者的貴重光學儀器,由專門經理、技術員負責保養、補充、操作事宜。每個實驗室的成員,甚至附近學校的師生、生技廠商都可以申請使用,僅需負擔相當低廉的費用。

研究生在生醫影像核心平台合作使用倒立雷射共軛焦顯微鏡。

平台內許多貴重儀器都是沈孟儒(成大藥理所特聘教授,現任成大校長)、邱文泰等學者主動提供,他們也樂意無償提供使用教學。擔任平台主持人的邱文泰說,共用貴重儀器可以提升學術圈的整體利益,不但儀器的價值得以充分發揮,研究者們也可以透過平台交流彼此的技術專長。

他舉例道,「最直接的方法,就是看誰最常登記使用特定儀器,就表示他很擅長那項技術,需要的時候可以直接請求合作。」若儀器都留在各自的實驗室裡,這種交流學習的機會無法出現。研究者也不容易嘗試不同儀器的功能,討論不同儀器的優劣長短。

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最嚴格的細胞生物學,點燃學術興趣

邱文泰說,自己出身苗栗鄉間,選填大學志願時沒有明確志向,只想離家遠一點。他覺得自然與生物是成長過程中熟悉的一部分,就選填了大多數的生物學科系。就讀成大生物學系,是分發之下的偶然。

在成大生物學系,周遭同學紛紛進入實驗室做專題,邱文泰卻直到大三還沒建立學術志向。直到的必修課「細胞生物學」結束後,他對實驗的興趣才被點燃。那門課由甫從美國歸來的陳虹樺老師任教,教學與考試都相當嚴格緊湊。

邱文泰回憶當年的細胞生物學課說,「期中考和期末考要寫滿四個小時,而且幾乎全部是申論題。考前壓力很大。」但也因為如此嚴格的學習要求,他踏實地讀完課本上每一個字。通過期末考後,心中充滿成就感,決定加入細胞生理相關的實驗室進行專題研究。

融合美式獨立與日式嚴謹,潛移默化的學術人格培養

求學階段多在成大吸收養分,現在也致力培育成大學生的邱文泰,認為對自己影響最深刻的,是湯銘哲(現任成大生理所特聘教授)和沈孟儒兩位學者的風範。

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邱文泰說,「湯銘哲老師的心胸開闊,重視自由探索與獨立研究,可說是典型美式風格的學者。碩士班學生的題目要自己發想、設計方法,老師負責引導大方向。」而且湯銘哲對學術同儕非常慷慨大方,隔壁實驗室來借任何耗材與設備,或是需要技術協助,他總是樂意援助。

邱文泰笑說,正因為這種慷慨大方,湯銘哲實驗室的成員經常處於「幫助鄰人」的狀態。他回憶說,「當時覺得很忙碌,但成為實驗室主持人之後,發現自己已經被這種風格潛移默化了。」

邱文泰也以樂於分享、協助的風格領導實驗室。他說,「我的學生也經常幫助其他實驗室的同學,我希望他們在互助、分享的氣氛中成長,成為心胸開闊的人。」

自博士班第二年開始,邱文泰加入新成立的沈孟儒實驗室,接受共同指導。他說,「沈孟儒校長是日式風格的學者,對研究與學術寫作追求完美的高標準。他如果看你的論文草稿寫錯超過三個字,就會請你拿回去重寫。」

邱文泰讚賞說,沈孟儒對科學研究的嚴謹要求,是他的職業楷模。他打開會議室的鐵櫃,數十本厚實日誌整齊排列其中。他說「因為沈老師的指導,我直到今天持續寫著實驗日誌,確實記錄每一天的實驗內容。對學生,我也要求交出完整的實驗日誌,才能從我的實驗室畢業。」

嚴謹治學的風格,呈現在邱文泰的實驗室管理,他們的藥品、抗體集合收納且全體共用,每個人都使用相同規格的研究材料。不會出現各用一套藥品,劑量、藥效不同,實驗結果難以重複的狀況。

他說,「材料的品質控制與共享,對實驗成果的精準化和均一化就是一件好事,也是科學研究的必要。」

邱文泰嚴格要求實驗室各種藥品、器材的擺放秩序,收納之後要編寫目錄和標示,任何人都能一目了然。他打趣說,「小偷闖進我們實驗室,根本不需要翻箱倒櫃,他可以按圖索驥找到所有東西。」

這種嚴謹的管理風格深刻地影響邱文泰的學生。他舉例說,一位博士班畢業生回到廈門大學擔任實驗室經理,按照邱文泰一致化與秩序化的風格整理實驗室,不但讓同事感到驚喜,連周遭實驗室的經理也紛紛來學習這種實驗室管理。

融會了兩位迥然不同的成大傑出學者風範,邱文泰長年投入引導成大學生對知識產生興趣,潛移默化對物嚴謹、對人開闊的高尚人格。因此數次獲得輔導、教學方面的優良教師獎。

鮮為人知的是,他其實差點成為高中教師,遠離成大的學術環境。

探索未知,比收入和安穩的生涯更重要

回憶起職涯轉捩點,邱文泰說,「那是人生最困難的決定。我剛退伍就在台南女中得到正式教師職位。眼看有個穩定、待遇不差的職業選擇,卻又被邀請回去讀博士班。」

邱文泰的考慮相當務實:高中教師的薪資高於社會平均、有退休保障,上下班時間穩定還有寒暑假。而博士班學生薪資不如高中教師,更不容易保持生活與工作的平衡。

收入和閒暇時間考量之外,邱文泰更重視學生對知識的態度,他回憶說,「我喜歡對高中生分享最新科學消息,例如當年諾貝爾獎得主與研究內容。」學生們的反應卻是「這些會考嗎?」

高中生在升學制度訓練下,認為只有考試相關的科學知識才是重要的,而高中教師也必須精熟解題技巧。邱文泰坦承,「我體會到,自己並不想走上鑽研教科書上既定知識與解題技巧的職涯。對我來說,更想要的是親手研究、接觸未知。」

邱文泰說,「跟我同屆考上高中老師的同學已經準備退休,而我還在規劃新的研究計畫、主持與眾人研究息息相關的生醫影像核心平台,但是我覺得這樣很充實。」

主持儀器共享平台,減少科學社群的資本差距;傳授學生知識與潛移默化的人格教育,對邱文泰來說毫無義務感,而是讓生醫領域更加蓬勃明朗的充沛機會。

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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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我們可以怎麼運用幹細胞?克隆技術可以解決同性生殖問題嗎?
賴昭正_96
・2023/12/27 ・5121字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

因被極有彈性的膜和果凍層包圍著,非洲爪蟾的卵與其它兩棲動物的卵不同,使得微量移液器無法穿透,所以我第一次嘗試在非洲爪蟾中移植細胞核完全不成功。⋯⋯如果實驗——或其他事情——沒有立即成功,請不要放棄!

——格登(John Gurdon)2012 年諾貝爾醫學獎

在「認識病毒全攻略!病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡,筆者提到細胞是生命的基本單位,它主要由基因組(genome)、細胞膜(cell membrane)、細胞質(cytoplasm)、和核醣體 (ribosome)組成。細胞質為執行細胞生長、代謝、和複製功能的地方,為細胞中的微觀工廠;核醣體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為氨基酸的分子。細胞本身含有代謝酶,因此有營養系統;不需宿主活細胞,即可自行繁殖。

高等動植物的細胞不像細菌,具有真正的細胞核(nucleus),故稱為真核細胞(eukaryotic cell)。它們沒有細菌的「質粒」(plasmid),但卻有像消化系統一樣的「線粒體」(mitochondria)來吸收營養,分解營養,並為細胞創造能量豐富的分子。

幹細胞

在大多數物種中,只有兩種完全不同類型稱為「配子(gamete)」的生殖細胞:卵子與精子。卵子是生物體中最大的細胞,而精子則是最小的;它們可以說是「發育不完全」的精簡細胞:卵子只具有細胞核及細胞質,精子則只具有細胞核及粒線體;它們的細胞核內均只有一半的染色體(稱為「單倍體基因組」)。儘管如此,卵子還是是最引人注目的動物細胞:因為一旦被精子活化(精子與卵子融合,稱為「受精」1),它可以在幾週內產生一個全新的個體。

圖/作者提供

人類的卵子受精後約五到六天,就會分裂形成大約一百個細胞的囊胚(blastocyst),見上圖右半。囊胚由內部細胞群(inner cell mass)及囊胚外層(trophectoderm)組成:前者將繼續分裂發展成胚胎(embryo 2),後者則將附著在子宮內膜成為胎盤 (placenta),保護和滋養發育中的胚胎。因為受精卵(zygote)可以分裂產生所有的細胞(包括胎盤),故稱為「全能幹細胞(totipotent stem cell)」。內部細胞群的細胞則因能繼續分裂發展成生殖細胞及體細胞(somatic cell)的人體各部位器官,故稱為「多能幹細胞 (pluripotent stem cell)」,又稱為「胚胎幹細胞(embryo stem cell)」,簡寫為 ES。

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生殖細胞及體細胞一旦形成後,就有其特定「專業化」的功能,不能再如幹細胞一樣轉換成其它細胞。因此自 20 世紀初以來,一直困擾細胞生物學家的問題是:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?一個受精卵如何會在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞呢?這些體細胞又如何記得繼續分裂成同樣的體細胞呢?

布里格斯(Robert Briggs)和金 (Thomas King)於 1952 年在活體生物體中進行了首次青蛙核移植 (nuclear transfer)實驗:將一個早期胚胎細胞核移植到去核的卵細胞中。他們發現不同發展階段的胚胎核可以造成非常不同的結果:早一天的可以繼續發展成青蛙,晚一天的則胎死腹中。此結果顯然回答了第一個問題:細胞核的遺傳物質在開始分化時會發生不可逆轉的改變,如重新排列遺傳物質使其變得更加專業化、永遠有效地關閉不使用的基因、甚或拋棄數百個不再需要的基因等等。

克隆教父——約翰.格登爵士

格登(John Gurdon)1933 年出生於英國漢普郡(Hampshire)迪彭霍爾(Dippenhall)。就讀於伊頓公學 (Eton College)寄宿學校時,成績不是特別好。在上了一學期的生物學後,老師寫了一份報告說:「我相信格登想成為科學家,但從目前的情況來看,這是相當可笑的。如果他不能學習簡單的生物學事實,他就沒有機會從事專家的工作,這對他和那些必須教他的人來說都純粹是浪費時間。」所以格登畢業後申請了牛津大學的古典學課程,但招生導師因為缺少理科生,告訴他說:「我很高興地告訴你,我們可以接受你,但有兩個條件:一是你得立即開始,第二是你不要學習你參加入學考試的科目。」就這樣,格登終於追求到他的夢想,最後在牛津大學取得發育生物學博士學位。你說人生不是一連串的巧合與意外麼?

約翰.伯特蘭.格登爵士(Sir John Bertrand Gurdon) 圖/wikimedia

1956 年格登開始了核移植的博士研究:但不是移植正在發展中的胚胎細胞核,而是移植已經發展完全的體細胞核到去核的未受精卵內——稱為「體細胞核移植 (somatic cell nuclear transfer,SCNT,見上圖左半 )」。格登早期得到的結論因與布里格斯和金的結論相左,因此受到了強烈的批評。1962 年,格登將西部矮爪蛙(學名 Hymenochirus curtipes)的腸細胞核移植到未受精、去核的非洲爪蟾卵中,竟然發現這種經過改造的卵細胞可以長成一隻新的西部矮爪蛙!這毫無疑問地證明了:(1) 成熟的細胞核仍含有形成所有類型細胞所需的遺傳訊息(即與受精卵具有同樣的基因),(2) 幹細胞在發展中專業化成體細胞是可逆的。

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克隆哺乳動物

格登成功地從體細胞核複製/克隆 (clone) 了兩棲類動物青蛙,當然立刻有科學家想到是否可以用同樣的方法來複製哺乳動物。可是為什麼要等到 30 多年才出現克隆的多莉羊 (Dolly the sheep 3 ) 呢?原來格登選青蛙是有其理由的:兩棲類動物的卵子都是透明、且非常大,一產就大量排出體外。即使這樣,他的成功率還是低的;還好正如筆者在「愛因斯坦所相信的上帝,是你以為的那位上帝嗎?」一文裡所說的「要證明上帝存在比證明祂不存在簡單多」,格登只要在幾百個實驗中不被合理質疑地克隆出一隻青蛙就夠了。

多莉的生命始於試管中的一個單細胞(取自芬蘭多塞特羊的乳腺細胞核和蘇格蘭黑臉羊的去核卵細胞),六天後在實驗室確認正常發育後,胚胎就被轉移到代孕母親體內,於 1996 年 7 月 5 日出生。但在英國羅斯林研究所 (Roslin Institute) 發表論文前,白臉多莉的出生一直被保密。1997 年 2 月 22 日宣布她的誕生後,全世界的媒體紛紛湧向羅斯林去一睹這只如今聞名的綿羊風采,也引發了媒體關於克隆倫理的爭論。

現在大部分先進國家都已經禁止克隆人的實驗,因此各地的實驗室大都只克隆人類胚胎細胞,作為研究及治療用。2018 年,中國科學院上海神經科學研究所首次利用 SCNT 成功克隆靈長類動物,誕生了兩隻名為「中中」和「華華」的食蟹雌獼猴。

誘導多能幹細胞

到了 21 世紀初,研究胚胎幹細胞的科學家已經鑑定出二十多個似乎對胚胎幹細胞至關重要的基因。這些基因的功能不一定相同:有些對於自我更新很重要(即一個 ES 細胞分裂形成兩個 ES 細胞),而另一些則用來阻止幹細胞分化。科學家也找到如何在培養皿中維持多能胚胎幹細胞的方法,及如何改變培養條件使其分化成各種細胞類型,如肝細胞、心臟細胞、和神經元等。但他們能否利用這些資訊將完全分化成熟的體細胞變成像胚胎一樣的幹細胞嗎?

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2006 年,日本京都大學的山中伸彌(Shinya Yamanaka)和博士後研究員高橋(Kazutoshi Takahashi)終於宣稱只要透過其中四個基因,即可將小鼠纖維母細胞(只能產生其它纖維母細胞)重新編程 (reprogramming),成為能產生多種不同類型細胞的多能幹細胞。他們將這樣製造出來的幹細胞稱為「誘導多能幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPSC)」。山中伸彌與格登兩人因研究出如何將專業化的成熟細胞重新編程使其具有多能性,而一起榮獲 2012 年諾貝爾醫學獎。

重新編程

精子和卵子像體細胞一樣,也是由受精卵分化出來了,所以應該是一個高度專業化的細胞,但它們融合成受精卵後又變成全能幹細胞,因此顯然融合後的細胞核被卵子微觀工廠的細胞質重新編程,失去大部分分化時的分子記憶(尤其是精子核,變成一張幾乎完全空白的畫布)。格登與複製綿羊的維爾穆特(Ian Wilmut)和坎貝爾(Keith Campbell)就是利用了這種重新編程現象,將體細胞核插入卵細胞質中創造出了新的克隆。

卵子的細胞質顯然就像一個巨大的分子橡皮擦,它能非常迅速地在 36 小時內完成這個重新編程過程,擦掉了細胞分裂過程中專業化的修飾痕跡(imprinting)。在提高山中伸彌之體細胞重新編程為 iPSC 細胞的效率(遠低於1%)和速度(需要數週)上,分子生物學家雖然已經取得了很大進展,但與自然界一比,仍相差甚遠。

筆者寫這篇文章的動機事實上是出於想解救同性戀的傳宗接代問題。研究顯示雖然不存在單一的同性戀基因,但來自數十萬人的 DNA 也揭示了一些與同性性行為有關的基因變異。在「同性戀、熊貓、與適者生存」(科學月刊 2014 年 7 月號,見《我愛科學》)一文裡,筆者提到:傳宗接代為「種族生存」的必要條件;同性戀者不能傳宗接代,不是遲早將從地球上絕跡嗎?一個筆者想到的解救的方法是:像體細胞核移植一樣,用同性「夫妻」的配子核取代受精卵中尚未融合的雌性與雄性原核 (pronuleus),希望它們融合後能繼續發展成胚胎⋯⋯。

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筆者正在幻想如何申請專利賺大錢時,卻發早在 1980 代,肯亞裔的英國發育生物學家蘇拉尼(Azim Surani 4)就已經開始了類似的研究。他以老鼠為對象的實驗毫無疑問地證明了哺乳動物的繁殖不只是傳遞系統的問題:不僅需要兩個單倍體基因組來融合形成一個二倍體核的受精卵,事實上其中一個必須來自母親,另一個來自父親!顯然卵子之細胞質的重新編程不是 100% 地擦掉了所有分裂過程中的修飾、專業化痕跡,而是至少保留了一些必要的基因來源資訊!⋯⋯夢想破滅,只好重做馮婦執筆寫文章(保證不是人工智能代寫的),悲哉!請點個「讚」以聊慰筆者之失望吧!先謝啦!

如果能解開幹細胞之謎,或許也能解開同性繁衍的問題。 圖/envato

結論

幹細胞具有非凡的自我更新潛力:在生命早期和生長過程中可以在體內發育成許多不同的細胞類型。幹細胞可以分成多能幹細胞和「成體幹細胞(adult stem cell)」兩類。前者就是我們討論過的胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞;後者也稱為「體幹細胞(somatic stem cell)」,它們已在許多器官和組織中被發現(通常在特定的解剖位置5)。這些特定器官的體幹細胞雖然不是多能的,但在生物體的整個生命週期中,卻扮演著非常重要的內部修復工作:它們可能會長時間保持靜止(不分裂),直到需要替代因正常磨損或疾病而損失的細胞時才被活化。

即使法律上不准複製人,相信讀者早已看出幹細胞在醫療上的可能作用:如果我們能用與我們體內相同的新細胞來取代罹患第一型糖尿病時失去的胰島素分泌細胞、或阿茲海默症失去的腦細胞、或骨關節炎失去的軟骨生成細胞等,那就不必擔心器官移植所造成的免疫系統排斥問題,或缺乏可用來移植的器官的困擾。這種使用克隆幹細胞來作為醫學治療用的領域稱為「治療性克隆(therapeutic cloning)」。

本文只回答了 20 世紀初以來一直困擾細胞生物學家的第一個問題:體細胞在基因上與它們所源自的受精卵相同嗎?至於如何重新編程、一個受精卵如何在胚胎分化中形成許多功能完全不同的體細胞、這些體細胞又如何在分子層面上被修飾使其只能繼續分裂成同樣的體細胞等更複雜的問題,則需等待新興的「表觀遺傳學(epigenetics)」來回答。

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註解

  1. 在某些生物體中,精子並不是嚴格必需的,它們可以透過各種非特異性化學或物理處理來人工活化卵子;例如一些脊椎動物(如一些蜥蜴)的卵子通常是在沒有精子活化的情況下繁殖的,稱為「孤雌生殖(parthenogenesis)」 。
  2. 像胎兒(fetus)的生命從什麼時候開始一樣,胚胎從什麼時候開始也沒有嚴格一致的共識。因當囊胚成功地植入子宮內膜時,母體會立即開始產生荷爾蒙來支持懷孕,筆者認為這應該是很好的胚胎起始點。到受精後大約八個禮拜,大部分人體器官和系統均已成型,也可偵測到心跳。第八週後稱為胎兒。
  3. 以美國西部鄉村歌手 Dolly Parton 的名字命名。
  4. 因試管嬰兒而獲得 2010 年諾貝爾獎之愛德華茲(Robert Edwards)的博士學生。
  5. 不是所有的器官都有這些體幹細胞,例如心臟就沒有,因此一旦數以百萬計的心肌細胞因缺氧(心肌梗塞)而死亡時,人體內就沒有自然系統可以取代它們。反之,肝臟則是具有高度再生能力的內臟器官,它可以在化學損傷或手術切除後再生。

延伸閱讀

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。