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我們真的只動用了10%大腦嗎?

活躍星系核_96
・2014/08/11 ・1523字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 529 ・七年級
Credit: Neil Conway CC BY 2.0
Credit: Neil Conway CC BY 2.0

作者:幕後
編輯:L編

即將上映的電影《露西》劇情建立在一般人只開發了10%大腦的假設,女主角露西使用了可以增強認知能力的新藥,喚醒了沈睡的90%大腦,可以駕馭強大的心智能力並強化身體機能,包括了特異功能、心智時空旅行和秒速學習的技能,好像解鎖未知的90%大腦,就可以變成有特異功能的天才。雖然這個故事是很吸引人的電影題材,但其實故事的假設根本不科學呀!

10%腦力的起源

神經外科醫生卡爾•拉什萊(Karl Lashley)以大鼠迷宮為實驗,在訓練大鼠走迷宮之前或之後切除不同區域的大腦,觀察其學習能力。失去部分大腦皮質的大鼠依然可以走出迷宮。他發現,皮質的破壞面積越大,大鼠越難走出迷宮,但長時間的訓練都可以彌補這些缺陷,且學習能力跟皮質破壞區域沒有關係。

因此拉什萊在1950年代提出了知名的等位原則(Equipotentiality),即不同腦區執行相同任務,以及質量作用原則(Mass action),即學習能力與大腦皮質含量有關,而與腦區無關。

腦部的功能障礙

拉什萊的理論在半個世紀前相當受歡迎,但現在科學告訴我們,大腦在執行工作是分工的,而不是整體性的。區區一個腦中風就可癱瘓大腦作業,依照中風位置和面積又有不等的影響。例如,運動皮質(Motor Cortex)受損會造成半身不遂;額葉(Frontal lobe)的布洛卡氏區(Broca’s area)受損會喪失說話能力。雖然大腦的可塑性讓未受損的區域在一段時間後可以彌補部分功能,但鮮少有痊癒的案例。

神經退化疾病如阿茲海默症(Alzheimer’s Disease)及帕金森氏病(Parkinson’s Disease),都各屬於不同腦區的退化。阿茲海默症出現的記憶衰退,是由於海馬迴(hippocampus)的退化。而帕金森氏症的運動障礙則是中腦黑質(substantia nigra)多巴胺神經細胞(dopamine neuron)死亡的結果。這類退化性疾病都是不可逆的。

腦部的不同區域執行著不同的功能,並且相互連接讓我們得以協調複雜的任務。因此在任何時候我們都有可能使用10%或100%的腦袋,這完全取決於我們正在做什麼事。

即便是日常生活的行為,如購買一杯咖啡,我們也需要使用到高度的認知能力和執行能力來決定我們要做什麼、條理分明的說話,讓他人知道我們的選擇。不只這些,我們還得計算價錢並且精準地將錢遞給對方。各腦區必須相互合作,我們才能做出協調的行為。所以即使小區塊的腦部損傷也可能對腦部功能造成嚴重的破壞。

飢餓的大腦

比起拉什萊實驗的大鼠,人類的腦部顯得更為複雜。人類的腦重量佔了體重約2%,卻消耗了20%的能量,呈現了不合比例的能量分配。大腦(Cerebrum)負責執行認知功能,小腦(Cerebellum)控制運動協調而腦幹(Brainstem)負責維持呼吸等非自主行為。比起其他動物,我們的腦部相對大得多,演化出這麼耗能的腦袋,一定是因為我們非常需要它。

腦部所消耗的能量主要用來驅動數以百萬計的腦神經元溝通,將分工區域連接起來形成監控網絡。如果我們真的只用了10%的腦袋,那等於我們需要提供如此龐大的能量給那閒置的90%腦袋,這顯得非常不合理。

未知的大腦功能

神經科學家正嘗試揭開腦部運作的謎底。近年來,探討腦部不同細胞角色扮演的研究相當熱門。腦中只有10%的細胞屬於神經元細胞,其餘90%是神經膠細胞(Glial cell)及星狀細胞(Astrocytes)。這些細胞似乎對連接神經元非常重要,不過最近的研究指出這些細胞有著更重要的功能——記憶形成。

人的腦部一直是科學家難以探知的領域,哪些腦區的交互作用形成了我們的意識?腦部如何控制一系列複雜的行為?至今還是未解之謎。

延伸閱讀

原文連結

Do we really only use 10% of our brain? TheConversation [August 01, 2014]

參考資料

文章難易度
活躍星系核_96
756 篇文章 ・ 73 位粉絲
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_96
1 篇文章 ・ 2 位粉絲
《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》