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揭開大腦神經網絡的奧秘–磁振造影新技術發現嚴謹的三維結構

活躍星系核_96
・2012/03/31 ・1622字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 626 ・十年級

腦神經相關的精神疾病如何防治?以及大腦的奧秘為何?一直是醫學界的重大挑戰!因為人類大腦約有一千億個神經元細胞,每一個神經元細胞都延伸出細長的神經纖維作為連結到其他神經元的通路。成千上萬的神經元細胞經由更多更密而無法細數的神經纖維互相連結,看似高度複雜的神經連結究竟遵循何種規則來精確的傳遞訊號而不失真?與精神相關的疾病是否有預防與治療的有效途徑?臺大醫學院曾文毅教授與哈佛醫學院 Van Jay Wedeen 教授發表在最新一期的《科學》的研究成果,首度發現了腦神經網絡的三維結構,可望揭開許多大腦之謎。

猴腦神經纖維在各處都呈現三維網格的結構,而且遵循體軸的方向排列。
猴腦神經纖維在各處都呈現三維網格的結構,而且遵循體軸的方向排列。

曾教授及研究團隊利用磁振造影發現不同種類的猴子大腦神經纖維是以簡單的三維網格結構所組成,就像棋盤格線相互垂直正交排列。三維網格結構正好平行生物體的前後、左右、上下三個軸向排列。神經纖維組織的架構竟然是如此簡單規律的幾何結構,並遵循身體的三個軸向是很出乎科學家意料之外的,因為這種情形在機率上幾乎是零。這種符合立體空間向度的三維結構,正可以說明人類腦部如何正確的判讀空間資訊的立體位置

這種簡單的立體三維結構在過去從未被發現過,主因是傳統的組織染色切片只能觀察到局部少數的神經纖維,就好像見樹不見林,無法掌握整體的結構形態。

而曾教授研究團隊運用一種先進的影像技術-水分子擴散頻譜造影(Diffusion Spectrum Imaging, DSI)來偵測神經纖維的方向及長度,從而重建出大腦中的神經纖維結構。由於目前的科技水平仍無法獲得活體大腦完整精確的神經纖維影像,因此研究團隊利用離體猴腦進行超高解析度的擴散頻譜造影影像掃瞄,才發現這個簡單的三維網格結構。

研究結果顯示三維網格結構普遍存在於四種不同種類的猴子,而後續的研究亦已發現,人腦也存在類似猴腦的三維網格結構。

此網格結構有助於了解大腦網路互相連結的發育與演化途徑。首先,神經纖維很可能按照身體主軸的三個方向,發展成一個規則的「棋盤式神經纖維網」。腦神經元細胞再透過此謹然有序的「交通網絡」與遠端神經元細胞傳遞訊息。如此可確保訊息能精確的傳到遠端對應的神經元細胞。目前科學家已經運用此網格結構來探討精神疾病的現象和診斷。神經科學研究結果已顯示一些精神疾病可能源自於腦神經連結的問題。因此,網格結構的排列異常有可能成為精神疾病的生物標記。換言之,我們可以藉由觀察網格結構之異常,早期診斷精神疾病。我們也可以透過觀察網格結構之變化,來追蹤精神藥物的療效。

由於人腦具有高度複雜的皮質,目前臨床使用的磁振造影儀還無法清楚看到人腦的神經網格結構。此問題的關鍵在於磁振造影的核心元件「梯度線圈」所產生的磁場梯度不夠強,因此達不到所需之解析度。有鑑於精神疾病的日益增加,及早期診斷控制的重要性,美國國家衛生院從2010年發起了「人腦連結體計畫」,資助哈佛大學麻省綜合醫院建置了一臺研究型磁振造影儀。相較於臨床磁振造影儀,此研究型機器可提供八倍之多的磁場梯度,有助於科學家們觀察活體人腦的神經網絡。事實上, 人腦的研究已成為基因研究的下一個最受重視的重大科學研究計畫。

在此同時,臺灣經濟部從 2011 年年底開始,經由學界科專計畫資助曾教授團隊發展腦連結體磁振造影系統。經濟部希望透過此計畫培育高階醫療器材研發人才,進而帶動臺灣的醫療器材產業。曾教授研究團隊現正與國內外醫學中心密切合作,針對精神分裂,過動症,自閉症,失智症,癲癇症及中風等六大神經精神疾病進行研究。預計於2014年在臺灣做出第一臺腦連結體磁振造影原型系統,建立正常人及精神疾病腦連結體資料庫。期望能夠透過先進的醫療科技揭開人類精神疾病的神秘面紗。

(本文由台大提供,PanSci 編輯)

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》