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70奈米高的花瓶…

葉綠舒
・2011/04/20 ・252字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 426 ・四年級

圖片來源:Science Now

70奈米高的花瓶?科學家們先作了一個個的DNA圈圈,把他們疊在一起後再把它們接起來,就成了上面的這個花瓶。

當然,這麼小的花瓶要看到不可能用肉眼,上面這張照片是用原子力顯微鏡照的。

70奈米高的花瓶能作什麼呢?科學家們希望可以把藥品或酵素放在裡面,或許外面的DNA花瓶可以保護裡面的內容物,讓它可以送到指定的地點。

資料來源:ScienceShot: A Vase Made From DNA – ScienceNOW

本文原發表於Miscellaneous999[2011-04-16]

文章難易度
葉綠舒
262 篇文章 ・ 8 位粉絲
做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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【2022 年搞笑諾貝爾藝術史獎】浣腸也搞儀式感!藥理學家的馬雅考古
寒波_96
・2022/09/21 ・5148字 ・閱讀時間約 10 分鐘

搞笑諾貝爾獎每年都是新的開始,2022 年也不例外。今年「第 32 次第一屆搞笑諾貝爾獎」一共頒發 10 個獎項,藝術史獎 2 位學者的得獎理由是:

「以跨領域手法研究古代馬雅陶器畫面的儀式性浣腸(A Multidisciplinary Approach to Ritual Enema Scenes on Ancient Maya Pottery)」。

浣腸場景的馬雅陶器,盡在不言中。圖/取自 mayavase

2022 年,肛門或成最大贏家!

浣腸(enema)別名灌腸,就是直接向肛門注入液體,刺激排泄。灌腸也指稱香腸的作法,浣腸讀起來比較有儀式感,本文之後就採用浣腸稱呼。

今年的生物學獎也和肛門有關,肛門或成最大贏家!有種蠍子斷尾求生後,連肛門都會一起脫落,而且無法再生,再也無法排泄,最終便秘致死。好在即使屁股沒惹一半,還可以再活幾個月,完成傳宗接代的蠍生大事。

同時看到馬雅人的浣腸研究,想說能不能幫斷尾的蠍子也浣腸一下,解決便秘問題……馬上想到它們已經沒有屁股,不再有機會享受浣腸的樂趣,嗚嗚。 😭

有趣的是(疑似贅句,本文應該沒有無趣的事),2022 年受到表揚的藝術史獎來自 1986 年發表的論文,本身就很有考古精神,36 年過去,如今得獎者都老惹。

大部分搞笑諾貝爾獎頒給近幾年的研究。但是一查之下大吃一驚,穿越歲月的表揚很少,卻不算罕見:

2022 年的藝術史獎頒給 1986 年的研究,時隔 36 年。

2021 年的昆蟲學獎頒給 1971 年的研究,時隔 50 年。

2013 年的安全工程獎頒給 1972 年的研究,時隔 41 年。

2013 年的公共衛生獎頒給 1983 年的研究,時隔 30 年。

2011 年的公共安全獎頒給 1967 年的研究,時隔 44 年。

2011 年的生物學獎頒給 1983 年的研究,時隔 28 年。

2010 年的公共衛生獎頒給 1967 年的研究,時隔 43 年。

2008 年的化學獎頒給 1985 年的研究,時隔 23 年。
……

中間是考古學家地獄慕斯(Nicholas Hellmuth),右下是藥理學家德史密特(Peter A.G.M. de Smet)。圖/取自 頒獎影片

研究民族藥物的藥理學家:一個博士不夠,就再讀一個!

今年等待 36 年的 2 位得獎者,是什麼來頭呢?馬雅是個位於中美洲,有數千年歷史的文化,如今依然有數百萬馬雅人樸實地生活著,儘管不如古代輝煌。研究馬雅考古的人,應該是考古學家吧!其中一位地獄慕斯(Nicholas Hellmuth)確實符合想像,他正是探索古馬雅的考古學家。

然而,另一位德史密特(Peter A.G.M. de Smet)不是考古學家,而是藥理學家。這項探討馬雅浣腸的研究,源自他博士論文中的一部分,而且這是他的第二個博士學位。

德史密特是荷蘭人,就讀烏特勒支大學(Utrecht University),公元 1979 年取得「藥學博士(Doctor of Pharmacy)」,具有一流的藥理學專業。後來他對民族藥物,也就是各地的草藥、菸草等傳統藥物產生興趣,於是 1981 年起又深造數年,1985 年再取得一個 PhD 博士。

他的博士題目叫作《美洲的儀式性浣腸與鼻菸(Ritual enemas and snuffs in the Americas)》,這段期間他幹勁十足地完成多達 11 篇論文!這麼多素材都被整合進博士論文,後來有出書。

德史密特出版過好幾本書,有亞馬遜作者頁面。圖/取自 亞馬遜網頁

這位藥學博士在第二個博士論文中(第 13 頁),一整個理組嗆文組的 fu:

「儀式性用藥的資料中,不當使用藥理學數據,是驚人的常見錯誤。實際上這不太意外,因為這個領域中的作者,往往缺乏藥理學背景。」

初出茅廬的德史密特,整理當時藥理學、民族學、考古學的多方資訊,加上自己的實驗,探討美洲原住民在浣腸、吸菸兩項行為的材料、手法、效果,使他成為以現代科學探討民族藥理學(ethnopharmacology)的先驅。

40 年來他身兼藥理學家、民族藥物學家的雙重身份,兩個領域都頗有建樹,總共發表上百篇論文,有些引用數相當可觀。2011 年還出過一本書,由 20 世紀初的明信片討論各地的民族藥物。

出現浣腸場面的馬雅陶器畫面,中間有位睡蓮美洲豹。圖/取自 Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes

藥理學×考古學:馬雅人為什麼浣腸?

馬雅人為什麼浣腸?馬雅世界後來成為歐洲人殖民地,早在殖民時期便有紀錄,馬雅人以浣腸行醫療用途。這也是當今受過醫學訓練的醫師、護理師之基本專業。

然而,1977 年重現於世的古代陶器,上頭的浣腸畫面卻不像醫療,而是某種儀式的場景。此後累積愈來愈多證據,現在可以肯定馬雅人不只為了醫療浣腸,還會在儀式性的場子中浣腸,有搞別人屁股,也可以自己搞自己屁股,還有互相浣腸的。

馬雅浣腸是德史密特的博士論文中,少數有關考古的題材,他不懂考古學,因此找到前輩地獄慕斯助拳。地獄慕斯搜藏不少馬雅小本本(主要是 6 到 9 世紀的古典期晚期),在其協助下,德史密特能充分發揮藥理學專業,跨領域探討古代馬雅人的浣腸學問。

出現浣腸注射器的馬雅陶器畫像。馬雅人長相並不奇怪,畫面中人只是戴著面具喝酒。圖/取自〈【食慾流動】今晚我想來點中美洲烈酒

「儀式(ritual)」的目的千變萬化(很多人類學家不知道怎樣解釋就說是儀式,老套路),馬雅浣腸的目的是什麼?德史密特認為一項意義可能是「淨化」。浣腸就是人為強制排出消化道中的廢物,在淨化儀式中適合作為象徵。

有些浣腸的目是追求快感,馬雅人應該也不例外,畢竟有些浣腸儀式的畫面,看起來就是派對。在儀式中使用藥物、興奮劑助興,不論古今都很常見。馬雅浣腸多半也是令參與者愉悅的儀式。還有人浣腸的目的是保健,像是現在也有人提倡咖啡浣腸。由此推敲,浣腸儀式能達到綜合性的目的。

浣腸跨越時空。福大命大的法蘭西大皇帝「太陽王」路易十四,便以喜愛浣腸聞名,別稱「大腸王」,據說一生浣腸超過 2000 次。當時浣腸和放血一樣,是流行的醫療與保健手段,不過懂玩的路易十四,想必也從中獲得不少快感。

提醒各位讀者,浣腸未必會傷害人體,但是一定有風險。不論目的是醫療、愉悅或保健,都要審慎進行,一旦碰到狀況,快點尋求醫療協助。尤其千萬不要用屁股直接喝酒或興奮劑!肛門、腸道細胞的吸收效果好,恐怕會不知不覺地中毒。

大腸王路易十四一邊浣腸,一邊接見外賓的歷史畫面。圖/取自 wiki 公共領域

實驗精神,注入!

注入肛門的液體是浣腸關鍵,浣腸液的配方、用量大有學問。幾乎可以確定馬雅人會用酒精浣腸,畫像中便能見到稱為「balché」的含酒精發酵飲料。

一堆博士牲讀的要死要活,即使僥倖畢業,也常常像 Long COVID 後遺症般,罹患遺憾終生的 Long PhD。德史密特的博士生涯卻充滿趣味,他拿自己的屁股做實驗,測試不同濃度與用量,讓讀者也猝不及防地上車。

讓人享受快感的浣腸,要將浣腸液留在腸道一段時間,不能馬上排出,所以不能注入太多。

德史密特在博士論文第 57 頁寫到,現代西醫操作下,超過 200 cc 只作為刺激排泄使用。古代藝術品中,有些看起來 size 很大大大的注射器,能注入不少浣腸液,其目的看似為快速大爆射的淨化功能,而非慢慢醞釀,體驗灌腸的愉悅感。

然而,德史密特又指出,他用自己屁股做實驗發現,即使注入 500 cc 的酒精灌腸液,也能輕易地維持不會大爆射。因此不能說注射器比較大支,就一定無法享受快感。

大腸王路易十四直呼內行:這荷蘭仔,懂玩!

攻打荷蘭的太陽王路易十四畫像。圖/取自 wiki 公共領域

浣腸液除了酒精,馬雅人還有哪些素材?

酒精以外,德史密特還測試過 DMT(dimethyltryptamine,N,N-二甲基色胺)浣腸,沒什麼特別感覺,不過他謹慎使用的劑量非常低。致幻劑 DMT 可以調製死藤水(ayahuasca)等迷幻藥,吃多會出人命,千萬不要胡亂嘗試。

作為藥理學家,德史密特討論多款可能的成分,不過沒有自稱試用過。像是咖啡因、尼古丁、迷幻蘑菇(psilocybian mushroom)、毒蠅傘(fly agaric,學名 Amanita muscaria)、睡蓮(water lily)、柯拉豆屬植物的蟾毒色胺(Anadenanthera alkaloid bufotenin,巴西植物 paricá 的種子)等等。

德史密特認為,他探討的大部分化學物質都不適合用於浣腸液,或是有機會被馬雅人使用。稀釋的咖啡因、尼古丁溶液肯定能用來浣腸,而且效果不錯。可是沒有馬雅人使用咖啡因、尼古丁浣腸的鐵證。

還有睡蓮值得一提。有些陶器畫面上出現睡蓮,可能作為儀式用途;而某些種類的睡蓮中又含有可作為致幻劑(hallucinogen)的成分,這才懷疑到睡蓮。但是睡蓮是否用於浣腸,至今仍缺乏可靠的證據。

這些研究看似搞笑,有什麼意義呢?不少人類學家、民族學家、考古學家,歷史學家做研究時,會接觸藥物與儀式,卻時常缺乏足夠的藥學知識,對於目的、用法、用量、效果等問題無法深入探討。人類學家 David J. Minderhout 在 1987 年的書評提到,德史密特以藥理學的視角切入,能彌補人類學、民族學的不足,對藥用植物感興趣的人,這類研究頗有參考價值。

總之就是,叔叔有練過,大家不要模仿。浣腸是有風險的行為,不論出於什麼目的,都要謹慎操作。

2022 年搞笑諾貝爾獎頒獎典禮影片(藝術史獎從 47:50 開始):

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

延伸閱讀

參考資料

  1. 2022 年搞笑諾貝爾獎得獎名單
  2. Here are the winners of the 2022 Ig Nobel Prizes
  3. 德史密特在 WHO 旗下 International Classification of Traditional Medicine(ICTM)的網頁
  4. 德史密特 1985 年的博士論文《Ritual enemas and snuffs in the Americas》
  5. de Smet, P. A., & Hellmuth, N. M. (1986). A multidisciplinary approach to ritual enema scenes on ancient Maya pottery. Journal of ethnopharmacology, 16(2-3), 213-262.
  6. Minderhout, D. J. (1987). Ritual Enemas and Snuffs in the Americas. Peter AGM de Smet.

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

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?
科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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光學顯微技術探入果蠅腦袋最深處——描繪超高解析度的 3D 神經結構!
科技大觀園_96
・2021/08/30 ・3333字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

在常見的醫療影像技術中,有正子造影(PET)、磁振造影(MRI)及超音波等等,雖然
如何透過神經細胞彼此的連結產生進一步的功能,是21世紀科學界想破解的謎團。圖/Pixabay

大腦:人類未竟的疆土

當我望著無邊無際的蔚藍海洋、聽到浪花聲、感受微風的輕拂,喜悅地回想起和好友在此旅行的回憶,並決定拿起手機拍下眼前的美景,我是如何感知世界、如何儲存與提取記憶?我的情感、思想、決策與行為是如何發生的?這些心智行為的奧秘藏在擁有 860 億個神經細胞的大腦,是我之所以為我的關鍵。

究竟大腦如何運作?這些神經細胞是如何透過彼此的連結與交互作用產生進一步的功能?進入 21 世紀以來,美國、歐盟、日本、中國等紛紛成立大型且長期的腦科學研究計畫,企圖揭開大腦的奧秘。

我國科技部也推出「台灣腦科技發展及國際躍升計畫」,整合既有研究能量與專業人才,期望建構模式動物至部分人腦的腦神經網路結構及功能圖譜,並帶動腦部疾病的精準醫療。

光學顯微鏡:小動物腦研究的利器

想要全面分析大腦的結構與訊號,解開單一或一群神經細胞的連結情形,精良的觀測工具是其根本,因此臺大物理系教授朱士維致力研發先進的光學顯微鏡技術。

朱士維表示,常用於醫療的影像技術,像是正子造影(PET)、磁振造影(MRI)、超音波等,雖然可以穿透很深的物體,但是解析度不夠高,無法看到單一細胞;而解析度極高的電子顯微鏡穿透深度卻很小,只能看到表層。光學顯微鏡恰好介在中間,適合用於研究小動物的腦。近期,朱士維的跨領域團隊發表了數個嶄新的顯微技術,分別在解析神經訊號和結構有了重大突破。

數個影像技術在解析度與穿透深度的分布。圖/朱士維提供

飆速3D攝影,解析神經的功能性連結

首先,研究團隊發表了「高速體積成像系統」,是全球第一次可在活體果蠅腦中以毫秒解析度取得神經結構 3D 高速動態影像!

「高速體積成像系統」是由雙光子顯微鏡與「可調變的聲波漸層透鏡」(TAG)結合構成。拍攝二維的動態影像並不稀奇,厲害的是,研究團隊如何把二維變成三維?關鍵就在於「可調變的聲波漸層透鏡」。由於液體透鏡的密度,會決定光的折射率,進而影響焦距的長短,研究團隊透過壓電材料激發液體透鏡共振,當透鏡的密度不斷變化,焦點也會快速移動,其振盪頻率可高達 100 kHz – 1 MHz,也就是說,在 10 萬分之一秒以內即可完成焦點的來回移動。

「可調變的聲波漸層透鏡」(TAG)放置在物鏡前面,透過壓電材料促使TAG密度改變,進而移動焦點位置。圖/朱士維提供
焦點快速移動的示意動畫。圖/朱士維提供

一般雙光子顯微鏡每拍攝一次只能拍到水平面(xy 軸)的像素並組成二維影像,若加上「可調變的聲波漸層透鏡」組成「高速體積成像系統」,即可同時進行深度(z 軸)的來回掃描,在同樣的時間內拍攝出一個包含各個深度的體積三維影像。 

同樣的時間下,原本只能掃描一個水平面,有了「可調變的聲波漸層透鏡」,則可掃描完一個體積。圖/改自參考資料 2

這項強大的技術對於研究神經與神經之間的功能性連結非常有用,譬如說,想了解果蠅如何處理嗅覺訊號,我們可以給果蠅聞一種特殊氣體,以「高速體積成像系統」綜觀其腦,即可找出此特殊的嗅覺刺激會引發哪些下游神經反應。接著,選擇想深入研究的神經,將拍攝範圍鎖定在該神經所在的區域,便可以毫秒時間解析度與微米空間解析度,追蹤訊號在這些神經細胞之間的傳遞順序。 

朱士維表示,「高速體積成像系統」的突破之處,在於可以於腦中劃定任意形狀的空間,並以毫秒等級的時間解析度,看見目標神經中各個神經細胞的電生理動態行為。

研究團隊更進一步發展光學神經激發系統,用光精準地刺激個別神經,再透過「高速體積成像系統」,輔以自動化影像分析,精準定位有反應之神經區域,做到「全光學生理」觀察(all-optical physiology)。目前已成功解析果蠅的視覺神經迴路中,上下游的神經連結與編碼模式。

「高速體積成像系統」以高速動態影像研究神經細胞功能上的連結,為建立果蠅的「功能性全腦連結體(connectome)」提供強而有力的工具。

探入果蠅腦深處,描繪超高解析度的 3D 結構

此外,在結構解析方面,顯微鏡光是能看到神經細胞還遠遠不足。神經細胞有樹突、軸突等向外延伸的纖維,有些纖維寬度只有 100 奈米,當兩條神經纖維緊鄰彼此,需要小於 100 奈米的解析度才能將它們區分開來。而且,神經纖維常常延伸至很遠的地方與其他神經細胞連結,因此顯微鏡的穿透深度,還須深至腦的最底層。

朱士維團隊發表了「深組織超解析光學技術」(Confocal lOcalization deep-imaging with Optical cLearing, COOL),在果蠅全腦中達成 20 奈米的超高空間解析度,剖析腦中神經的細微結構,能分辨出相鄰或彼此纏繞的神經纖維,藉以判斷神經連結的路徑。

三維的神經纖維分布圖像。「深組織超解析光學技術」可將兩條緊密交纏的神經纖維清楚分離開來。右下圖為相同神經與染色,傳統共軛焦影像無法分辨神經纖維的細緻結構。圖/朱士維提供

「深組織超解析光學技術」結合了四個關鍵技術,包含「螢光蛋白標定」、「共軛焦掃描顯微鏡」、「光學組織澄清技術」以及「定位顯微技術」。

「定位顯微技術」是 2014 年諾貝爾化學獎的得獎項目,透過操縱螢光分子輪流放光,再分別計算螢光分子的中心位置,打破光學顯微鏡的解析度極限,大幅提高解析度至接近 20 奈米。「光學組織澄清技術」則是江安世院士發明的 FocusClearTM 試劑,因其獨特的化學配方,讓生物組織各部位的折射率一致,呈現透明狀態。

朱士維團隊找出可適用於腦組織的螢光分子並改善其放光能力,成功將定位顯微技術應用在果蠅腦,並且透過光學組織澄清技術讓腦組織透明化,減少組織的散射與像差,提高穿透深度,以及利用共軛焦掃描顯微鏡一層一層地掃描不同深度的影像。最終,組合成三維的超高解析影像。

這項技術最厲害之處在於可穿透厚度約 200 微米的果蠅腦,在果蠅全腦皆達成 20 奈米的解析度,可應用在建立果蠅全腦的神經連結網路。

跨領域團隊 開創顯微技術新紀元

這些研究成果仰賴跨領域的團隊,除了朱士維,還有清華大學腦科學研究中心主任、中央研究院院士江安世、中研院物理所副研究員林耿慧、清大工程與系統科學系副教授吳順吉、清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安、捷絡生技公司執行長林彥穎等人,共同參與研究。

諾貝爾生醫獎得主 Sydney Brenner 曾說:「科學的進展往往是始自新的技術」,腦科學作為 21 世紀科學界的兵家必爭之地,顯微技術的研發重要性不言可喻。朱士維團隊在動態的神經訊號與靜態的神經結構,皆發展出相應的顯微技術,可說是為腦科學領域開拓出令人期待的嶄新未來。

朱士維團隊開發的兩種顯微技術比較表。圖/沈佩泠繪

參考資料

  1. K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, Y.-Y. Lin, K. Su, K.-L. Feng, S.-C. Wu, Y.-C. Lin, A.-S. Chiang, S.-W. Chu*, “Millisecond two-photon optical ribbon imaging for small-animal functional connectome study”, Opt. Lett. 44, 3190-3193 (2019). 
  2. C. Huang, C.-Y. Tai, K.-P. Yang, W.-K. Chang, K.-J. Hsu, C.-C. Hsiao, S.-C. Wu, Y.-Y. Lin*, A.-S. Chiang*, and S.-W. Chu*, “All-optical volumetric physiology for connectomics in dense neuronal structures”, iScience22, 133-146 (2019)
  3. H.-Y. Lin, L.-A. Chu, H. Yang, K.-J. Hsu, Y.-Y. Lin, K.-H. Lin, S.-W. Chu*, A.-S. Chiang, “Imaging through the whole brain of Drosophila at λ/20 super-resolution”, iScience14, 164-170 (2019). 
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科技大觀園_96
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