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【Gene 思書齋】科學與藝術,迸出新火花

Gene Ng_96
・2018/12/22 ・1652字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

宛如「神經科學」之神 ── 卡哈爾

聖地亞哥.拉蒙.卡哈爾 (Santiago Ramón y Cajal,1852-1934)。
圖/wikipedia

聖地亞哥.拉蒙.卡哈爾 (Santiago Ramón y Cajal,1852-1934) 對研究神經科學的人來說,或許就像是個神一般的存在。

科學研究當然不應該個人崇拜,可是當修神經科學課時,教科書和老師常常提到他,還不時說「又被卡哈爾猜中了!」,心中當然對他的崇敬,真的會有多江水滔滔不絕。

早在大學求學時,很多有心要做科學研究的莘莘學子,可能都讀過他的一本書《研究科學的第一步-給年輕探索的建議》(Advice for a Young Investigator)。這本書當時對台灣學子和年輕科學家來說,非常受用,因為卡哈爾當時身處的西班牙,在西歐中算是較落後的國家,尤其是科學研究上,不僅風氣不盛,經費也相當匱乏。卡哈爾就是在一個不算良好的環境,奮鬥成為 1906 年諾貝爾獎得主。

很多有心要做科學研究的莘莘學子,可能都讀過卡哈爾的其中一本著作《研究科學的第一步-給年輕探索的建議》(Advice for a Young Investigator)。
圖/AMAZON

卡哈爾發展出更好的神經染色法,他孳孳不倦地觀察了各種腦組織的樣本。

他的觀察力和洞見力超群,他自己就說道:
「從顯微鏡底下觀看大腦,就像帶著一本寫生簿,走進一片有數以億棵樹的森林中。我的工作就是每天看著這些彼此盤根錯節的樹群模糊影像,並試著為這片森林,寫一本附有插畫的田野調查指南。」

他提出的許多重要神經科學理論,都是出自他對神經系統微觀結構的長期觀察。他手繪的神經圖,為我們在攝影技術還不發達的年代留下寶貴的科學記錄,迄今仍在最新的科學期刊論文和教科書中看到,因為他對手繪下的各種神經元及組織的功能,都提出的科學理論,神經科學證明他常常是對的。他最重要的貢獻之一,是發現大腦細胞是由個別獨立的「神經元」構成,發展出影響後世腦神經研究的「單一神經元學說」。

卡哈爾的手繪圖將科學與藝術完美結合

當初我也曾想往神經科學的領域發展,第一次申請國外的研究所時,也都是神經科學的博士班,還好塞翁失馬,現在回母校任教,多位神經科學方面有極為傑出表現的同事組成堅挺的團隊,非常羡慕也慶幸不夠聰明和努力的自己只要能在旁欣賞和鼓掌就好。

卡哈爾的大量手繪圖,在科學繪畫上也是不可多得的優異作品,是科學與藝術的完美結合之一。這些精美的畫作,不能只有科學家或科學史家看到而已。所以這本《大腦之美:神經科學之父卡哈爾,80 幅影響大腦科學&現代藝術的經典手繪稿》(The Beautiful Brain: The Drawings of Santiago Ramón y Cajal) 的出版非常令人振奮。

《大腦之美:神經科學之父卡哈爾,80 幅影響大腦科學&現代藝術的經典手繪稿》(The Beautiful Brain: The Drawings of Santiago Ramón y Cajal) 的出版非常令人振奮。
圖/Giphy

卡哈爾的畫作,即能成為科學又能成為藝術,同時在於他並不是像照相機一樣去描繪看似雜亂無章的神經組織,也就是說在科學上及藝術上,他的畫作是精妙的加工,而非模仿。他明察秋毫地洞察了神經元的形態以及和之間的關係,並且表現在他上千幅畫作中,這和藝術家捕捉光線和人物神情、動作等有異曲同工之妙,這具體表現在畫作中的墨色濃淡、線條粗細或大小比例上。

大腦之美》收錄卡哈爾 82 幅珍貴的經典手繪稿,有頂尖的神經科學家為我們作解釋。書中也附有文章述說卡哈爾的生平和成就,書末附有用現今科技能達到的水準。即使在科技日新月異的時代裡,卡哈爾留下的手稿還能夠指引神經科學家做出一個又一個令人驚嘆的新發現!

本文原刊登於 The Sky of Gene

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Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 16 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


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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_96
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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》