「看見」大腦記憶的生成──超解析 3D 層光定位顯微鏡

本文轉載自顯微觀點

顯微鏡在觀察微小物體上發揮非常重要的作用，但傳統光學顯微鏡通常愈將倍率放大，景深就愈淺，在觀察立體的生物標本或是組織切片，觀察者無論怎樣調焦，依然無法獲得完全清晰的圖片。數位顯微鏡便能解決這樣的問題。

數位顯微鏡和光學顯微鏡最大的差異在於觀察方式。數位顯微鏡不像傳統顯微鏡透過目鏡來觀察，而是使用數位相機獲取畫面，再將即時畫面投影到連接的電腦螢幕。

三要件組成數位顯微鏡

數位顯微鏡結合了傳統光學顯微鏡、數位多媒體和數位處理技術，其成像系統通常包括三個模組：顯微鏡光學模組、資料擷取模組、數位影像處理和軟體控制模組。

顯微鏡光學模組執行顯微成像的功能，將欲觀察的樣本影像聚焦。一旦聚焦，資料擷取模組就會將影像以數位格式儲存在感光元件，如 CCD（電荷耦合裝置‍）或 CMOS‍（互補式金氧半導體），再透過 USB 或其他介面傳輸到電腦儲存裝置。

軟體控制模組則是整個數位顯微鏡系統的核心，可即時控制、優化擷取的影像，並加以處理、分析測量。尤其隨著功能更強大的電腦出現，數位顯微影像可以得到更有效和高效的處理，例如可以取代手動計數功能，或是快速推疊或拼接影像。

D_tot 表示景深，λ 是照明光的波長，n 是物鏡至觀察物體間介質的折射率，NA 是物鏡的數值孔徑

e 是放置在顯微鏡物鏡圖像中，可分辨的最小距離，M 是橫向總放大倍率

從公式可以看到，景深和總放大倍率幾乎成反比。而以過去難以同時兼備的高倍率和大景深來說，使用顯微鏡調整焦點，搜尋並到達分佈在不同深度的樣本後，再以數位成像設備捕捉分佈在這些深度的所有清晰影像，傳輸到電腦就能產生高品質、清晰的影像。

另外，也可結合雷射和共軛焦顯微鏡觀察不同深度的橫斷切面影像，再利用電腦影像處理和 3D 重建演算法，便能可以獲得高解析度的立體輪廓，進而觀察複雜的細胞骨架、染色體、細胞器和細胞膜。

數位顯微鏡的電腦即時處理也常應用在動態或活體（in vivo）檢測的研究中，例如細胞膜潛在變化、藥物進入組織或細胞膜的過程等。

數位顯微鏡的倍率計算

傳統顯微鏡的總放大倍率為目鏡倍率 x 物鏡倍率，既然數位顯微鏡拿掉了目鏡改以數位相機、電腦取代，該如何計算總放大倍率呢？

數位顯微鏡除了光學放大倍率，還必須考慮數位放大倍率，因此總放大倍率＝光學放大倍率 x 數位放大倍率

• 光學放大倍率：物鏡放大倍率 x C 型轉接環放大倍率

由於連接顯微鏡和相機通常有一個 C 型轉接環（C-mount），且內建鏡頭。因此必須先將物鏡放大倍率乘以轉接環的放大倍率。

• 數位放大倍率＝螢幕（顯示器）尺寸／感光元件尺寸

數位放大倍率必須考慮的元素有螢幕和感光元件。通常螢幕的對角線尺寸以英吋為單位，因此必須先將測量值轉換為毫米（mm）；以 19 吋顯示器為例，其對角線測量值則為 19 吋 x 25.4＝482.6 （mm）。

感光元件尺寸同樣以對角線的測量值來計算。以 1” 的晶片來說，其對角線測量值為 16（mm）。

因此若以 10X 的物鏡搭配 0.67X 的 C 型轉接環，變焦 5X 後使用 2/3”CMOS 攝錄器拍攝並投影在 24 吋螢幕上。此時總放大倍率為：10 X 0.67 X 5 X 24 X 25.4 / 11 = 1856.5 （倍）

不過，隨著技術的不斷進步，數位顯微鏡和光學顯微鏡間的界限變得越來越模糊，有些數位顯微鏡採用更多光學元件，光學顯微鏡也採用了數位相機技術；相信打破藩籬的那一天指日可待。

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參考資料

1. Digital vs. Optical Microscopes: An In-Depth Comparison
2. How to Calculate Microscope On-Screen Magnification
3. Chen, X., Zheng, B., & Liu, H. (2011). Optical and digital microscopic imaging techniques and applications in pathology. Analytical cellular pathology (Amsterdam), 34(1-2), 5–18.

本文翻自<Astrocyte Dysregulation and Calcium Ion Imbalance May Link the Development of Osteoporosis and Alzheimer’s Disease>一文

蔡依良 撰

加拿大的研究報告中指出，阿茲海默症患者罹患骨質疏鬆症和骨折發生率是同年齡神經正常成人的兩倍多 [1]。一項為期兩年的縱向研究也表明，與非失智症的患者相比，阿茲海默症患者的骨骼密度流失的更多 [2]。目前已有少量的實證證據，證明了阿茲海默症的神經病理生理學特徵可能導致骨質流失 [3, 4]。藥物方面，也有報告指出使用鈣離子通道阻滯劑和用於治療骨質疏鬆症的雙磷酸鹽類藥物，可以有效地緩解阿茲海默症的症狀。

為什麼骨質疏鬆與阿茲海默症會有關係呢？這就要從阿茲海默症是什麼開始說起。

阿茲海默症是五種失智症的一種

我們所說的阿茲海默症，只是失智症的其中一種。失智症主要可分為五大類型：路易氏體失智症、額顳葉失智症、血管型失智症、混合性癡呆，以及阿茲海默症。其中阿茲海默症為最常見的失智症，它是一種與年齡相關，認知能力下降的退化性疾病，包括記憶力改變和定向能力下降。

在阿茲海默症的病程中，有高達 70-80% 的患者會表現出非認知症狀，這會導致患者煩躁不安，表現妄想、抑鬱、幻覺、錯誤識別、睡眠障礙、冷漠、攻擊性、進食障礙、不適當的性行為或徘徊。

因此我們有必要先強調，這些研究都只說明了其中一種失智症類型——阿茲海默症，與骨質疏鬆有關，不是所有失智症都跟骨質疏鬆有關係。

為什麼阿茲海默症會跟骨質疏鬆扯上關係？

在病理學上，阿茲海默症患者的典型症狀是澱粉樣蛋白-β (Aβ) 斑塊和 tau 過度磷酸化。然而，最近的研究表明，這些症狀並不是疾病的原因，而是發病後產生的。與其他類型的失智症相比，阿茲海默症具有明顯的松果體鈣化及體積縮小，和褪黑激素分泌減少的特徵。

而這幾個跟「松果體」有關的特徵，跟阿茲海默與骨質疏鬆症有密不可分的關係。

松果體是什麼？

松果體位於腦部中央的上視丘，介於兩個腦半球之間，藏在丘腦兩半連接處的凹槽中。是一個對光敏感的小型神經內分泌器官，透過眼球接受光的信息，調整褪黑激素的分泌量，進而控制動物的睡眠時間。它具有高度血管化的構造，不依賴血腦屏障（BBB）所提供的保護。由星狀膠質細胞、小膠質細胞、內皮細胞和釋放褪黑激素的松果體細胞所組成的器官。

松果體的分泌能力與其體積大小成正比。因此當羥基磷灰石逐漸沉積在松果體形成鈣化時，成為我們俗稱的「腦砂」，勢必將減少褪黑激素的產生。這就是上面提到的「阿茲海默症具有明顯的松果體鈣化及體積縮小，和褪黑激素分泌減少」。

褪黑激素與骨細胞增殖有關

有趣的是，褪黑激素除了與腦的關聯外，其他研究還發現使用褪黑激素可增加正常人的骨細胞和成骨細胞的增殖。這即是一開始研究所說的「阿茲海默症與骨質疏鬆症有關係」的原因之一。

為什麼是之一呢？因為不只在褪黑激素上，找到阿茲海默症和骨質疏鬆症二種疾病的關聯性，也在其他骨鈣代謝激素，像是：腦雌激素、甲狀旁腺素、維生素 D3、降鈣素、骨鈣素…等，也都有研究找出該激素與兩種疾病之間的關聯性。

骨鈣代謝激素對阿茲海默症的影響

腦雌激素由星狀膠質細胞合成，具有神經保護的功能，維生素 D3 除了可以保護骨骼，同時也是一種神經類固醇激素，在大腦中扮演保護和調節作用。Hana 等人研究則是發現「降鈣素基因相關肽拮抗劑（CGRP）」，具有成骨和維持骨穩態的作用，可能成為延緩人類認知衰退的治療靶點 [5]。

還有，成骨細胞衍生的骨鈣素，發現可以改善與年齡相關的認知衰退、預防抑鬱和焦慮，以及減少星形膠質細胞和小膠質細胞的增殖。綜合上述，我們可以得知阿茲海默症和骨質疏鬆症之間，確實存在著某種相關性。

阿茲海默症與骨質疏鬆有關的可能原因

雖然有不少研究支持阿茲海默症與骨質疏鬆有關聯性，但兩者的因果關係，尚未有統一答案，不過，我們可以藉由以下幾點推測可能原因：

一、松果體中的星狀膠質細胞對鈣離子平衡作用

星形膠質細胞為組成松果體的重要細胞之一，它的功能有維持鈣離子濃度平衡，提供神經細胞營養，並可在體內遷移。鈣離子是人類重要的神經傳遞物質之一，一旦被觸發，星形膠質細胞之間就會形成鈣波，激活其他星形膠質細胞傳遞信息。

二、調節骨頭生長的骨細胞為星狀型態細胞

人體大多數的鈣質儲存在骨骼中，以維持一生的鈣穩態。骨組織主要由骨細胞、成骨細胞和蝕骨細胞組成。在骨重塑當中，成骨細胞是生成骨頭的細胞，蝕骨細胞則是分解骨頭的細胞，而骨細胞是調節蝕骨細胞和成骨細胞活性的星狀型態細胞。在成熟的骨骼中，骨細胞是數量最多的細胞類型，有著與生命體本身一樣長的壽命。

雖然骨細胞的並非星形膠質細胞，但無論在形態或功能上，都有相似之處，同樣為星形，也都與鈣離子濃度的調節有關，只是松果體內的星狀細胞是直接調整鈣離子，骨細胞是藉由控制成骨與蝕骨細胞，來影響周圍鈣離子濃度。為了方便起見，我們假設骨細胞是星形膠質細胞的一種，而松果體主要也是由星形膠質細胞組成。

在鈣波的影響下，那麼當蝕骨細胞有較高的細胞活性，加上星形膠質細胞逐漸失去功能時，鈣將從骨骼中逐漸流失，從而引發骨質疏鬆症。隨後被釋放到血液中的鈣離子可能在松果體中蓄積並導致異位鈣化，從而促進阿茲海默症的發生。

最後值得我們進一步思考的是，長期的慢性發炎時常伴隨著鈣化現象的發生。如果我們常常半夜不睡覺，或在睡前接收大量的光線刺激。長期不正常的光週期是否會導致松果體慢性發炎，誘發松果體鈣化增加罹患阿茲海默症的風險呢？

參考資料

1. Weller I I. The relation between hip fracture and Alzheimer’s disease in the canadian national population health survey health institutions data, 1994-1995. A cross-sectional study. Ann Epidemiol. 2000;10(7):461. doi:10.1016/s1047-2797(00)00085-5
2. Loskutova N, Watts AS, Burns JM. The cause-effect relationship between bone loss and Alzheimer’s disease using statistical modeling. Med Hypotheses. 2019;122:92-97. doi:10.1016/j.mehy.2018.10.024
3. Dengler-Crish CM, Elefteriou F. Shared mechanisms: osteoporosis and Alzheimer’s disease?. Aging (Albany NY). 2019;11(5):1317-1318. doi:10.18632/aging.101828
4. Minoia A, Dalle Carbonare L, Schwamborn JC, Bolognin S, Valenti MT. Bone Tissue and the Nervous System: What Do They Have in Common?. Cells. 2022;12(1):51. Published 2022 Dec 22. doi:10.3390/cells12010051
5. Na H, Gan Q, Mcparland L, et al. Characterization of the effects of calcitonin gene-related peptide receptor antagonist for Alzheimer’s disease. Neuropharmacology. 2020;168:108017. doi:10.1016/j.neuropharm.2020.108017

非洲的采采蠅（tsetse fly）以吸血維生，但是它們也時常是錐蟲的宿主，如果吸食人血，便有機會將錐蟲傳染給人類，引發昏睡病，在非洲導致不少問題。

昆蟲常以費洛蒙作為溝通媒介，采采蠅也不例外。2023 年發表的新研究，找到幾款采采蠅使用的費洛蒙，能促進情慾交流；而且又發現感染錐蟲會改變費洛蒙組成，求偶時還會降低身價。

昆蟲的氣味語言

舌蠅屬（Glossina）旗下有多個物種統稱「采采蠅」，這項研究著重的是 Glossina morsitans，為求簡便，本文之後直接稱之為「采采蠅」。要注意還有不一樣的其他款采采蠅，本文後面會登場一種。

費洛蒙是生物排放到體外，用於溝通的訊號分子，可謂是昆蟲的化學語言。一如人類的花言巧語或暴言各有巧妙，各種昆蟲使用不同費洛蒙，能達到不同效果。

從前對采采蠅的費洛蒙也不是一無所知，以前知道有一種化學分子 15,19,23-trimethylheptatriacontane，也叫作 morsilure，被采采蠅當作費洛蒙。此分子是主鏈為 37 個碳鍊長，總共有 40 碳的脂肪酸衍生物，而且含量非常多，5 天大的女生超過 4 mg。

有些費洛蒙輕盈，可以揮發；也有的飄不起來，要直接接觸。40 碳的分子體重太胖，只能直接碰觸，可以說是一種接觸式的油膩情慾。

傳宗接代，迅速而持久

新研究的目標是探討：采采蠅是否存在揮發性費洛蒙，又如何作用。比較效果之前，要先了解采采蠅情慾交流的正常狀況。

把沒有性經驗的一男一女擺在一起，20 組幾乎都迅速合體，在 15 秒內開始啪啪啪（請自行腦補音效）；而且平均 do 愛 58.5 分鐘之久，持久力一級棒。

拿來對照的對象，是常被當作實驗動物的黃果蠅（Drosophila melanogaster）。黃果蠅和采采蠅雖然都叫蠅，但是親戚關係比人和猩猩之差還要遠，不是最合適的比較對象，不過是最方便取得的材料。

黃果蠅平均要等 22 分鐘才男女合體，維持 20 分鐘左右，明顯不如采采蠅對性的渴望。然而，采采蠅的實驗，假如一方換成交配過的女生，原本興致高昂的男生竟然會完全不想 do 愛，判若兩蠅。

總之，采采蠅情慾交流的正常狀態是，由男生向女生求偶，女生很快接受。過程中吸引男生辨識的「女蠅味」是哪些費洛蒙呢？

空氣中充滿愛情的味道

采采蠅的費洛蒙是脂肪酸衍伸物，和果蠅、螞蟻一樣，能用有機溶劑己烷（hexane）分離。

• 延伸閱讀：促進情慾流動的果蠅費洛蒙，竟然也能讓人類有反應!?──2018搞笑諾貝爾生物學獎

可是一開始實驗，把接觸采采蠅 10 分鐘的己烷塗在棒棒上，結果不論是有或沒有性經驗的男女，4 類原味樣品對男生都毫無吸引力。

做過實驗都知道，沒反應不能寫論文 💔。所以又把搜集費洛蒙的時間延長到 24 小時，這下就對惹 ❤️！

觀察得知，沒有性經驗的處女原味，能吸引 60% 男生；有性經驗的女生則是 27%；男蠅味對男生依然缺乏吸引力。

「女蠅味」具體是什麼呢？用氣相層析質譜儀（Gas Chromatography Mass Spectrometry，簡稱 GC-MS）分離可得到 6 種化學物質。

3 種是脂肪酸：16 碳的棕櫚酸、棕櫚油酸，以及 18 碳的油酸。3 種是脂肪酸加上甲基酯（methyl ester）的衍生物：methyl palmitoleate（MPO）、methyl oleate（MO）、methyl palmitate（MP）。

就算是做這一行的，大部分也會覺得那一串名詞彷彿火星文，反正就是好幾種結構略有不同的油。但是以訊號分子來說，重點不是有多油膩，而是這些分子會啟動哪些神經反應，又影響哪些行為。

費洛蒙有時候化學結構只差一點點，意義完全不同，就像人類講話，「我日常生性活潑，想要多交朋友」和「我日常性生活潑，想要多交朋友」意思就很不一樣。

饞她身子的味道，油膩的情慾語言

女蠅味 6 種成分逐一測試，女生們完全不為所動。至於男生，3 款脂肪酸都缺乏吸引力，不過 3 款衍生物都有吸引力，尤其是塗抹 MPO 的棒棒，能吸引 87% 男生，效果最強（有人覺得奇怪，比前述實驗 60% 更高嗎？應該是因為濃度更高，效果更強）。

費洛蒙有具體的收訊器，訊號應該是透過觸角（antenna）上的感覺受器傳達，因為如果把觸角切除，男生也不會起反應。

為了進一步認識費洛蒙的效果，研究者又將費洛蒙塗在近親物種 Glossina fuscipes 身上。正常時這次的主角 Glossina morsitans 采采蠅男生，對異種女生不會有性趣；但是近親女 MPO 上身後，有 60% 男生會撲上來。

可見單單 MPO 這種化學分子，便對男生有強烈的誘惑力。可是這只是單方面的喜歡，近親女依然對異種男生毫無感覺，會把他們馬上踢開。

感受情慾的神經元

不一樣的費洛蒙，會激發不同感覺神經元，就像把某個開關打開。采采蠅的觸角上有許多微小的感覺零件（sensilla），各自配備不同的受器神經元。被激發的 sensilla 上存在兩款神經元 A 與 B，對不同物質起反應。

MPO 會刺激 B 神經元，而且分隔一段距離，透過氣流傳送便有效果。由此判斷 MPO 是揮發性作用的費洛蒙。

但是同樣的距離，MO 與 MP 都不起反應。不過縮短到距離 1mm 後，MP 就能刺激 B 神經元，MO 則能同時刺激 A 與 B。這兩款費洛蒙僅管結構類似 MPO，卻要近到快直接接觸才有作用。顯然這種事不能看結構鍵盤辦案，要實測才知道。

奇妙的是，這些費洛蒙對近親物種 Glossina fuscipes 的神經元，幾乎都不起作用。因此上述費洛蒙與受器的組合，僅限於 Glossina morsitans 這款采采蠅，和其他物種未必有共通語言，近親即使收到也理解不能。

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寄生錐蟲降低身價，采采蠅也是受害者

不少采采蠅體內存在錐蟲，吸血時成為傳播媒介。檢驗發現，錐蟲對采采蠅的影響也非常明顯，會大幅影響求偶選擇。

采采蠅的求偶是男生提出要求，女生決定是否接受。觀察得知，有或沒有感染的兩男，如果和處女共處一室，女生接受兩者的機率差異不多。但是有或沒有感染的兩女，給男生選擇，男生 100% 挑選沒有感染的女生。

這麼看來，有錐蟲寄生的女生，在男生眼中是比較差的對象，但是不知道男生如何分辨。費洛蒙方面，被寄生的采采蠅又會多出 21 種揮發性小分子，也許有所影響，可惜這些氣味的具體作用仍不清楚。

上述結果都是實驗室中的測試。采采蠅在野外活動時，或許大部份候選蠅都是感染錐蟲的不理想對象。野生的采采蠅實際上如何擇偶，也許是另一番光景。不過應該能推測，它們也不喜歡錐蟲。

食慾與情慾的開關一同打開，吃飯，順便do愛？

野生的采采蠅，要自己尋找對象。最容易碰到異性的場合是采采蠅餐廳，也就是被吸血的動物周圍。實際觀察到，采采蠅常常在獵物附近順便情慾交流。

動物散發的氣味分子，就像餐廳飄出的香味，吸引采采蠅前來覓食。有趣的是，獵物排放的 4-methylphenol、1-octen-3-ol 兩種揮發性物質，和采采蠅的揮發性費洛蒙 MPO 使用同一套神經受器。

或許采采蠅去吃飯，開啟食慾的同時，也一同釋放情慾的開關。交配和吃飯是兩回事，如果能一次滿足，也很棒。

延伸閱讀

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參考資料

1. Ebrahim, S. A., Dweck, H. K., Weiss, B. L., & Carlson, J. R. (2023). A volatile sex attractant of tsetse flies. Science, 379(6633), eade1877.
2. Chemical notes of tsetse fly mating

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。