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【2021諾貝爾生理或醫學奬】為何會有「熱熱的、刺刺的」感覺?溫度與觸覺受體的發現

PanSci_96
・2021/10/04 ・1977字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 內容編譯自諾貝爾奬新聞稿,亦同時感謝台灣科技媒體中心的協助。

2021年諾貝爾生理或醫學獎(Physiology or Medicine)得主,於台灣時間4日下午5點30分正式揭曉!本次生醫獎由美國生理學家朱里雅斯(David Julius)及帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)共同獲獎,他們的研究首度發現了「人類神經系統的溫度和觸覺受體」。

人類感受冷熱及觸覺的能力是與生俱來、且對生存而言是至關重要的能力。但關於「溫度和機械性刺激如何在神經系統中轉化為電信號?」(外在刺激如何轉為生理感受的機制)一直是懸而未解的難題。

朱里雅斯利用辣椒素( capsaicin)來識別皮膚神經末梢中對「熱」有反應的受體;帕塔普蒂安則使用壓敏細胞(pressure-sensitive cells)發現了新型受體,可以對皮膚和內部器官中的機械力刺激(mechanical stimuli)做出反應,讓我們知道力學的刺激也會連結到對應的受體。

「辣椒素」如何產生灼熱感?

在 1990 年代後期,加利福尼亞大學舊金山分校的朱里雅斯,通過分析辣椒素如何引發接觸辣椒時的灼燒感,這項研究開啟了後續「溫度差對特定感覺受體之間的關聯性」的研究。

眾所皆知,辣椒素能激發神經細胞並引起疼痛感與灼熱感,但詳細的原理機制在當時是一個未解之謎。朱里雅斯和他的同事,建構了包含數百萬個 DNA 片段的資料庫,並找到片段中對應於特定神經元來表達感覺的受體,這些受體可以對疼痛、熱和觸碰做出反應。他們透過比對細胞對辣椒素的反應,分析其 DNA 差異,經研究後,朱利亞斯研究團隊確定了一組會讓細胞對辣椒素敏感的受體。

這個新發現的辣椒素受體,後來被命名為 TRPV1。當朱里雅斯研究 TRPV1 對熱的反應時,發現 TRPV1 會在大於攝氏 43 度時被激發,他意識到他發現了一種熱敏受體,這種受體在特定的溫度下會激發疼痛感(圖 1)。

圖 1:朱里雅斯使用辣椒中的辣椒素來鑑定 TRPV1,這是一種由熱痛激發的離子通道。確定了其他相關的離子通道,我們現在了解不同的溫度如何在神經系統中誘導電信號。圖/THE NOBEL PRIZE

TRPV1 的熱敏特性是一項重大發現,並為揭開其他溫度感應受體開闢了新道路。之後,朱里雅斯和帕塔普蒂安,分別獨立使用薄荷醇做研究,並發現會被寒冷激發的 TRPM8 受體。

之後,與 TRPV1 和 TRPM8 相關的其他受體,都陸續確認會對不同的溫度產生反應。許多實驗室開展了新的研究,通過使用缺乏這些受體的小鼠,來研究這些通道在熱感覺中的作用。

朱里雅斯發現的 TRPV1,使我們能夠更了解溫度差如何在神經系統中誘發電信號。

「機械力」刺激如何轉化為觸覺?

溫度的受體正在被逐漸解密,但對於「機械力」的刺激為何可以轉化為觸覺和壓力?曾有科學家在細菌上發現相關受體,但關於脊椎動物的觸覺機制仍然未知。Ardem Patapoutian(Scripps Research in La Jolla, California, USA),希望可以找到這個難以捉摸的受體到底是什麼?

帕塔普蒂安和他的夥伴首先找到了一種細胞株,當它被微量吸管(micropipette)戳戳、受到力刺激的時候,會發出可測量的電信號。接著,他們試圖編碼了各種可能會被機械力激活的離子通道的受體的基因(共72組),並且找尋到底是哪一組基因在其中佔有重要關鍵。經過搜索,他們確定了一組基因,當它不表現的時後,細胞對微量吸管的刺激完全沒有反應。

因此,一種全新、之前完全未知,對機械力敏感的離子通道被發現,他被命名為「Piezo1」,從希臘語中表示壓力的詞「í; píesi」而來。藉由與 Piezo1 的相似性,研究團隊找到了第二組基因,並將其命名為「Piezo2」,它對感覺神經元的表達水平很高。近一步證實 Piezo1 和 Piezo2 是透過對細胞膜施加壓力而被活化的離子通道。

帕塔普蒂安發明了一系列的研究,證明 Piezo2 離子通道對觸覺至關重要,它也被證明在重要的身體位置和本體感覺中扮演重要的角色。Piezo1 和 Piezo2 通道也被證明能調節一些重要的生理過程,包含血壓、呼吸及膀胱控制等等。

圖 2:帕塔普蒂安發明了一系列的研究,證明 Piezo2 離子通道對觸覺至關重要。圖/THE NOBEL PRIZE

這一切都說得「通」了!

今年諾貝爾獎得獎者對 TRPV1、TRPM8 和 Piezo 通道的突破性發現,讓我們能夠了解溫度(冷、熱)和機械力如何刺激神經產生衝動,使得我們可以感知和適應周圍的世界。TRP 通道的發現是我們感知溫度的重要發現,也是對於受體研究很重要的基石。Piezo2 通道則是賦予我們觸覺和感知身體各種部位的位置和運動的能力。

這些開創性的發現,不只讓我們知道離子通道對於許多生理表現和疾病都至關重要,而相關的知識也能在後續被應用於各種疾病的治療方式。

參考資料

THE NOBEl PRIZE,〈Press release: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2021〉

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喝母乳的寶寶能提升神經認知功能?——是真的!而且「曾經喝過就有效」

查克爸
・2021/10/26 ・3015字 ・閱讀時間約 6 分鐘

喝母乳的寶寶,真的會更聰明嗎?母乳不僅能夠提供小寶寶所需的營養以及免疫力,而透過母親的生理機制,更能將各種符合自己孩子需求的成分,客製成孩子專屬的母乳。需要發育大腦,就多給些相關的成分,如果要長肌肉也沒問題,媽媽隨時隨地都準備為孩子產製最適合的母乳,這可是任何產業都難以複製的機能。因此母乳被說是對寶寶是最好的禮物,想當然各種與母乳哺育相關的研究主題,便是眾多學者探討了解的目標。

其中,研究智力發展應該是最吸引人的主題之一,不過目前為止也是有研究指出,母乳哺育的孩子,他們的平均智商與沒有母乳哺育的孩子相差無幾,這不知潑了多少人一身的冷水,掃了無數爸媽的興致。但以前的證據說智商沒差異,不代表新的研究一樣沒差異,科學這件事就是會不斷變化,產出新的結論,全世界仍有不少研究都提出母乳可能使寶寶更聰明。

這次要介紹的羅徹斯特大學醫學中心(URMC)神經科學研究所(Del Monte Institute for Neuroscience)的成果就是其中之一,他們這次提出的新證據是與認知能力有關,而且他們的結論應該會讓人眼睛一亮,因為他們發現,母乳哺育的時間長短與 9-10 歲兒童的部分認知發展有關連,而且只要孩子有吃母乳一段時間就可以看出差異[1]

人類積極探索智力,母乳與智力的關係更是熱門主題之一。圖/Pixabay

改變研究方向,找出母乳與智力之間的正向證據

隨著各種研究產出,我們得以知道智力受到很多變項影響,尤其是與父母親直接相關的因素,例如父母的社經地位、智力程度、學經歷等都可能使孩子擁有較高的智力。換句話說,也就是研究者比較了相同教育程度或是經濟程度的母親後,結論是不管有沒有哺餵母乳,他們孩子的智商分數可能相近。

既然知道多種因素可以影響智力,便要在研究方法的設計下足功夫,因為要盡可能控制所有影響,讓母乳哺育的小孩,以及沒有母乳哺育的小孩都能在同一個基準線上比較,才能看出客觀上的差異,或可說是未能控制好混雜因素[2]

不過就如開頭所說,研究目標、方法不同,看到的成果就不一樣,羅徹斯特大學醫學中心這篇藉由分析青少年大腦認知發展研究計畫[3](The Adolescent Brain Cognitive Development Study;ABCD Study)數據的報告,就看到了母乳與認知的正向關係,改而分析更細項的各種認知能力[4],其涉及了執行與感知、學習、記憶、理解、意識、推理、判斷、直覺和語言相關的等各種任務技能。

認知能力分好多,研究分析哪些?

這個認知研究採用 ABCD 研究數據來探討,但為了減少測量誤差的影響(例如孩童曾經暴露會接觸酒精的環境、未參加訪視的兒童等因素),研究者最終保留了 9,116 名兒童的數據,並以此分析母乳哺育時間與神經認知能力之間的關係。那列入分析的認知能力向度有哪些?

向度一共有三項,而且跟每個人都有關,分別是一般能力(general ability)、執行能力(executive function)以及記憶力(memory),而這三項能力各自有其解釋在,如一般能力,美國心理學會對此提出的解釋定義是,一種可以被衡量的能力,且被認為是基礎能力,用來處理所有與智力相關的任務。

再來是執行能力,這個能力則可用來管理和控制工作記憶、注意力,也跟抽象思考等種種認知過程有關,像是設定目標、想像並預見;最後一個是大家耳熟能詳的記憶力,是透過大腦系統所儲存的訊息,是能回憶特定訊息或曾經有過的經歷。

不過這些能力的發展程度真的能評量嗎?放心,各項認知能力背後有眾多的研究依據,也發展出各種不同的測量方式來評定。像是「魏氏兒童智力量表的矩陣推理測驗」就在這個研究被用來測量知覺推理和組織、空間訊息處理等相關的能力;而美國國立衛生研究院的 NIH Toolbox®-Cognition battery,也在這個研究裡被整合運用評估兒童的神經和行為功能。最後通過次數以極多的神經認知測驗,也才讓研究結果得出有吃母乳的小朋友,是能改善某個認知能力。

針對各種能力、認知所開發的測驗,不斷的被開發出來並應用。圖/Pexels

母乳真的有助於認知能力!是哪一項呢?

研究要分析的有一般能力、執行能力以及記憶力,那究竟哪像能力獲得提升呢?鏘鏘,從數據提供的結論是一般能力(general ability)與母乳哺育的時間長短有顯著關聯[1]。但你可能會說「怎麼才提升一種能力?」,這時候我們要關注的是,在心理學上的一般能力也包含多種能力,一般能力只是所有分向能力的統整稱呼。

研究中把這九千多位 9-10 歲的孩子,依照他們吃母乳的時間長短分成四組,第一組是 0 個月的控制組,接著是三組母乳哺育的實驗組,分別是 1-6 個月、7-12 個月以及吃母乳超過 12 個月的寶寶,可以看到在母乳哺育期最短的 1-6 個組別寶寶,他們在一般能力的測驗結果,比起沒吃母乳的寶寶有所提升,而且隨著母乳哺育的時間變長,孩子們在一般能力的發展程度也越來越高。

用另外一個角度來看研究結果就是,今天有某一個家庭選擇餵養母乳,即便哺育期間落在有點長又不算太長的 2 個月或是半年內,對寶寶的神經認知發展來說也是有幫助的,這也符合研究人員的設定目標,因為這有望幫助改善人們的動機,讓更多人想要母乳哺育,不只告訴每個家庭們可以量力而行,也藉此呼籲政府、社會企業能夠更設身處地為媽媽們著想。

母乳哺育與一般能力認知的關聯性較高,且隨著期間變長而增加。資料/參考資料1

研究成果重要,但更該考慮「人」

各種母乳相關的科學證據報告,讓母乳對孩子的好處不言而喻,這次介紹的研究也是,也的確可以藉由這些證據協助家庭做出決定,讓他們決定是否要餵養母乳,但這篇研究成果的重點,是希望能夠「鼓勵」家庭選擇用母乳哺育寶寶,而不是「非得要」。

不可否認的是,母乳哺育對媽媽們是一個壓力來源,常常聽到「給寶寶最好的」,反而讓各種美好變成壓力,像是聽到哪位媽媽不給寶寶吃母乳,各種批評襲來,不餵母乳變成一種罪過。而如果選擇母乳哺育,又可能因為家人不支持而宣告放棄。

母乳對寶寶有幫助,但家人彼此間的支持才更重要。圖/Pixabay


研究也實實在在告訴我們,餵養母乳的意願及時間長短,可是牽涉眾多因素,其中個體因素如教育程度、年齡會改變想法,還有環境和社會文化影素也會影響,例如就業問題、丈夫支持程度、家人態度也都大大的參雜其中[6]

因此每個家庭間的討論、媽媽的個人意願都很重要,有了共識後再來下決定,而當你們決定好要給寶寶母乳,又就差那決定性的臨門一腳時,不妨想想這篇研究提出的結論,「只要曾經給寶寶喝母乳,便有機會提升他特定的認知能力喔」。

參考資料

  1. Lopez, D. A., Foxe, J. J., Mao, Y., Thompson, W. K., Martin, H. J., & Freedman, E. G. (2021). Breastfeeding Duration Is Associated With Domain-Specific Improvements in Cognitive Performance in 9-10-Year-Old Children. Frontiers in public health, 9, 657422. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.657422
  2. Walfisch, A., Sermer, C., Cressman, A., & Koren, G. (2013). Breast milk and cognitive development–the role of confounders: a systematic review. BMJ open, 3(8), e003259. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2013-003259
  3. https://abcdstudy.org/
  4. https://dictionary.apa.org/cognitive-ability
  5. Natland ST, Andersen LF, Nilsen TI, Forsmo S, Jacobsen GW. Maternal recall of breastfeeding duration twenty years after delivery. BMC Med Res Methodol. 2012 Nov 23;12:179. doi: 10.1186/1471-2288-12-179. PMID: 23176436; PMCID: PMC3568415.
  6. Shi, H., Yang, Y., Yin, X. et al. Determinants of exclusive breastfeeding for the first six months in China: a cross-sectional study. Int Breastfeed J 16, 40 (2021). https://doi.org/10.1186/s13006-021-00388-y

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查克爸
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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職為開發自然科學評量工具的研究 人員,將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。
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