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要縮小自己,也要放棄一些東西

葉綠舒
・2011/11/19 ・534字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 452 ・五年級

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仙女蜂(fairy wasp, Megaphragma mymaripenne)是全世界最小的昆蟲之一,同時也是世界上最小的飛蟲,體長只有200μm,主要以其他昆蟲的卵做為食物。
200μm到底多小呢?大約與阿米巴原蟲一樣大小。
圖片來源:Science Now

研究仙女蜂的科學家發現,為了要縮到這麼小,使得成年仙女蜂的神經元有95%都沒有核。(1)

仙女蜂在蛹期的時候仍然跟其他的昆蟲一樣,有大約7400個神經元,而且每個都有核(2);但是在蛹的最後一個發育階段時,大部分(~7000)的神經元細胞本體(neuronal cell bodies)都分解了,使得成年的仙女蜂只有339-372個神經元有核,其他大約7000個神經元都不具有核。

雖然只有這麼少的神經元有核,不過仙女蜂還是能夠飛行,也能找到寄主。

這樣小的飛蟲,是否活不了多久呢?筆者查了一下資料,發現它大概可以活21天(3)。除此之外,由於它主要是寄生在薊馬(thrips, 一種害蟲)(4),所以也被拿來防治薊馬的蟲害。
參考資料:

1. Science Now. 2011/11/18. ScienceShot: Amoeba-Sized Insect Is Missing Some Pieces – ScienceNOW
2. Alexey A. Polilov. 2011. The smallest insects evolve anucleate neurons. ArthropodStructure & Development. In Press, doi:10.1016/j.asd.2011.09.001
3. J. A. McMurtry and H. G. Johnson. 1963. PROGRESS REPORT ON THE INTRODUCTION  OF A THRIPS PARASITE FROM THE WEST INDIES. California Avocado Society 1963 Yearbook 47: 48-51
4. UC IPM online. 2007. How to Manage Pests Pests in Gardens and Landscapes: Thrips

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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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切開左、右腦間的3億條神經纖維束後,會發生什麼事?——《全腦人生》
天下文化_96
・2022/08/22 ・3699字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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一刀切開大腦的糾葛!

我挺幸運,1970 年代末期身為大學生的我,親眼目睹神經科學邁向主流,舉世聞名的裂腦手術也備受矚目:史培利(Roger Sperry)博士將數名癲癇病人左右腦之間的連結切斷。

我保守一點說好了,他的研究迷得我神魂顛倒。

不曉得有沒有人也對大腦研究充滿嚮往?圖/elements.envato

史培利施以連合帶切開術(commissurotomy),將胼胝體切斷,連結兩個大腦半球之間的近三億條神經軸突纖維束於是斷開,成功防止不正常放電情形波及另一個半腦。

裂腦手術還揭開另一項優勢:葛詹尼加(Michael Gazzaniga)博士對這類病人執行心理實驗,深究胼胝體切斷後、兩半腦分別運作的模式,研究結果斐然。

我這初出茅廬的神經科學家,尤其著迷於這些實驗有如《化身博士》(Strange Case of  Dr. Jekyll and Mr. Hyde)的故事:兩個大腦半球在心理學及解剖學上的能力涇渭分明。顯然兩個半腦中間的連結切斷後,裂腦病人的行為就像是兩個獨特的人格,表現通常背道而馳。

左右腦分開後,會發生什麼事?

部分病人身上,「占據」右腦的人格表現出的意向與行為,會與「占據」左腦的人格恰恰相反。舉例來說,一名男士想用左手(右腦)打老婆,右手(左腦)則同時保護老婆。其他時候顯然也出現相同狀況:他一手使勁拉下褲子,另一手卻同時替自己拉上。

另一名病人剛好是個孩子,則是左右腦言詞不一致。問及人生目標時,他右腦說長大想當賽車手,左腦卻想當製圖師。

還有一位病人提到,她每天早上選衣服時,都要爭鬥一番,左右手好比同極相斥的磁鐵,各有既定喜好,早就描繪好自己當天該穿什麼。她去雜貨店買吃的,兩個半腦想要的食物也天差地別。她手術過後一年多,才有辦法駕馭單一意向,有意識的遏止兩個意見相左的人格在內心激烈交戰。

你能想像你的大腦裡面有兩個不同的想法一直在作對嗎?圖/pixabay

你讀到這些故事,務必了解,這些經過連合帶切開術的病人在解剖學上和你我的唯一差異,在於我們的兩個大腦半球之間有胼胝體連結,互相溝通。

科學家理解到,以神經解剖學而言,大部分的連合纖維本質屬於抑制性,運作時,訊息是從一個腦半球的某組細胞,跑到另一腦半球對應的那組細胞。兩個腦半球的細胞隨時為活躍狀態,但對應的腦半球細胞群卻是分別處在支配與抑制的狀態。

如此一來,一個腦半球即有能力抑制另一個腦半球對應的細胞群,支配特定細胞群的功能。例如,我們專心聽某人所說的詞彙及意義時(左腦),比較不會專注於對方的語調變化或情緒內容(右腦)—— 但這反而是對方真正打算溝通的事情,反之亦然。譬如,有沒有人曾對你大吼,說你根本沒聽到重點,而你錯愕不已?

既然上天給你一對腦,為何只用一邊呢?

1970 年代和 1980 年代,社會上對裂腦研究的反應有點過於熱烈,著重開發「右腦」或「左腦」的社群課程如雨後春筍冒出,許多學校甚至積極投入,設計出可以刺激一個半腦或兩個半腦的課程。

左腦人及右腦人的刻板印象進入主流:左腦人表現較有條理、準時、注重細節,右腦人點子多、創新、運動發達。

可惜,在大家痴迷左右腦之際,許多家長想讓孩子贏在起跑點,策略卻是讓孩子接觸適合其天賦的課程。沒錯,這合情合理,畢竟家長希望孩子因拿手之事獲得回報。

不過,若家長希望孩子全腦、全方位均衡發展,較完善的方式應該是鼓勵孩子參與自己並不拿手的活動。例如,若孩子具左腦優勢,擅長科學及數學,可以鼓勵他們參加戶外活動,到林間探索與蒐集資料,也可以引導擅長運動及藝術的孩子發揮創意,設計超酷的科展作品,參加衡量某類表現的科學展覽會。

由於過去四十年來,家長只著重激發單個半腦的優勢,造成孩子的能力朝向兩極端發展。目前有些著作及教學技巧專門開發不慣用的腦半球,例如至今仍廣為使用的經典之作《像藝術家一樣思考》(Drawing on the Right Side of the Brain)。

Heart Love GIF by nerdbugs
不慣用的腦半球也應該要適度的刺激,才能更均衡的發展。圖/GIPHY

另外,你不必費勁就能發現,行銷人員如何善用策略,瞄準我們對右腦或左腦的偏好。就連電腦作業系統也符合這種分野:一般認為 蘋果產品直指右腦創造力,任何微軟的可笑產品則直指左腦分析力。還記得黑莓機嗎?這機子則是用來讓我的右腦哀哀叫。

左、右腦獨立運作?這是迷思!

依此種刻板印象推廣的科普知識五花八門,旨在開發左右半腦的潛能。除此之外,也有成山成海的實證科學,清楚描繪左右半腦在解剖學及功能上的差異。

如想知道半世紀以來,科學家在巨觀與微觀方面發現了哪些差異,英國精神科醫師麥基爾克里斯特(Iain McGilchrist)博士的《主人與使者》描寫得深入淺出,亦蒐羅最新的研究內容。

如想了解哈佛精神科醫師如何與左右腦人格合作,協助精神病人復原,不妨閱讀薛佛(Fredric Schiffer)博士的《雙腦革命》,著實教人大長見識;該書甚至敘述了兩個人格有多麼相異:其中一個人格體驗到的疼痛感,另一個人格真的會感覺不到,或是也不會表現出來。

若想知道處理心理健康問題的替代工具,史華茲(Richard Schwartz)博士的內在家族系統值得一試;該模型有助辨識一個人的部分性格,以便互相合作,找出健康的解決之道。上述書籍與工具皆發人深省,可幫助大家知曉大腦的奧祕。

本來左右腦就會持續造就任一經驗時刻的整體經驗,所以我的意思並不是左腦或右腦獨立運作。

現代科技顯示,任何時刻兩個半腦顯然皆會造就神經系統的輸入、經驗與輸出。然而如我先前所述,腦細胞的標準做法,就是支配並抑制對應部位的腦細胞,因此,除非死亡,腦部在任何情況下,都不是全開機或全關機的狀態。

人類的性格,究竟是怎麼被塑造出來的?

想了解大腦運作,自然會提出這問題:「一群腦細胞到底怎麼可能合作打造一種人格?」我可不是第一個提出這問題的人,我也不是第一個經歷腦部創傷、性格大變、創傷細胞復原然後重拾舊迴路、舊技能組合、舊人格特質的人。

不過,我大概是第一位歷經腦部創傷及復原、踏上求解之路的神經解剖學家,率先深入探查自己大腦神經與心理方面的運作模式,並獲得四大人格的獨到見解。

Pink And Blue Animation GIF by palerlotus
明明都是神經細胞,為甚麼卻有各種不同的人格?圖/GIPHY

腦細胞是美妙的小生物,形態大小各異,其設計說明了執行特定功能的能力。例如,位在兩個半腦主要聽覺皮質區的神經元具有獨特形狀,能處理聲音資訊;其他連結不同腦部區域的神經元,形狀也適合其功能,運動系統的神經元更不例外。

值得注意的是,從神經解剖學的角度來看,每個人的腦部神經元本身以及互相連結的方式,基本上並無二致。

從結構上來看,每個人的大腦皮質最外層的隆起與溝渠根本一模一樣,而且相像到——如果你腦部特定區域受損,我腦部該區域也受損,那我倆喪失的功能也一模模一樣樣。以運動皮質為例,如果你和我某個半腦的特定細胞群都受損,我們的身體超有可能在同樣的部位癱瘓。

左腦、右腦到底有甚麼差異?

左右半腦固有功能的差異在於,神經元處理資訊時,各有獨特方式。

先說左腦,左腦神經元其實是以線性方式運作:會先接收一個想法,拿這個想法和下一個想法互相比較,接著再拿這些想法的副產物和再下一個想法互相比較。

由此可知,左腦能以次序方式思考。例如,我們知道必須先發動引擎,才能打檔。左腦可是令人嘆為觀止的序列處理器,不僅創造抽象的線性(例如1 + 1 = 2),還為我們展現出時間性,將時間以線性感,分割成過去、現在與未來。

右腦神經元則完全不是用來建立線性次序,反而有如平行處理器,可引進多條資料流,同時顯示單一的複雜經驗時刻。記憶是由兩個腦半球共同創造,右腦則替記憶的創造成果增添深度,豐厚了此時此地的面貌。

儘管許多腦細胞負責執行顯而易見的工作,例如理解語言或呈現視覺,其他神經元卻負責創造想法或情緒。

「模組」這詞就是用來說明哪組神經元和其他神經元互相連結,並以集合體的形式共同運作。我們大腦中的四大人格,即是以特定且獨特的神經元模組運作。

——本文摘自《全腦人生:讓大腦的四大人格合作無間,當個最棒的自己徒》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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為什麼大腦如此耗能?——淺談神經元的基本構造和功能
Heidi_96
・2022/04/13 ・4565字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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身為人體總司令,大腦每單位重量所消耗的能量,約為其他器官的 8 至 10 倍[1]。所以,即使大腦只佔據人體總重量的 2%,仍然得消耗人體高達 20% 的總能量才能保持運作,就連休息和睡覺時,消耗的能量也絲毫不減。

為什麼大腦這麼輕,卻得消耗如此多的能量呢?

以往,科學家認為這和「腦電活動」有關,也就是腦內神經元運作時,所產生的電活動。神經元是神經系統負責傳遞訊息的基本單位。這些細胞形狀細長,結構可分為三個部分:細胞本體、樹突(dendrite)和軸突(axon)。樹突看起來就像樹枝,有很多專一性受體,可以接收來自上一個神經元的神經傳導物質。

神經元形狀細長,結構可分為三個部分:細胞本體、樹突和軸突。圖/國家實驗研究院

靜止膜電位:穩定的休息狀態

在樹突沒有收到化學訊號的狀態下,神經元的靜止膜電位(resting membrane potential)約為 -70 mV;也就是說,在休息狀態時,神經元內的電壓相較於細胞外低了 70 mV。造成電位差的關鍵在於細胞膜外的正離子(鈉離子,Na+)比較多,膜內的正離子(鉀離子,K+)比較少。

可是,物質不都是從高濃度往低濃度的地方移動嗎?為什麼還可以維持在 -70 mV 呢?

第一,是透過主動運輸。這種運輸方式必須消耗能量才能進行,而負責這項任務的就是細胞膜上的「鈉鉀幫浦」(Na+/K+-ATPase)。鈉鉀幫浦所消耗的能量是三磷酸腺苷,也稱作 ATP,是細胞的「能量貨幣」,專門儲存和提供能量。幫浦每消耗 1 個 ATP,就可以將 3 個鈉送出細胞,再將 2 個鉀送入細胞。只要幫浦不斷運作,就能維持恆定的離子濃度差,使得細胞外有較多鈉離子,而細胞內則有較多鉀離子。

ATP(C10H16N5O13P3)是細胞的「能量貨幣」,專門儲存和提供能量。圖/Wikipedia

第二,是透過被動運輸。這種運輸方式不需要消耗任何能量,只要有濃度差異,離子就可以經由通道蛋白,從高濃度處擴散到低濃度處。然而,細胞膜上的鉀離子通道蛋白數量較多,約為鈉離子通道蛋白的 50 倍,所以鉀離子可以輕鬆離開細胞,鈉離子卻難以回到細胞,使得細胞內部正離子數量較少。

那麼,收到化學訊號時,神經元的膜電位會怎麼變化呢?

動作電位:活躍的工作狀態

剛剛提到神經元的靜止膜電位約為 -70 mV,細胞膜內帶負電、膜外帶正電,這種兩極化的電荷環境,稱為「極化」(polarization)。當神經傳導物質和樹突上的受體結合,受體就會根據接收到的訊號種類,調整離子通道的通透性。

在極化階段,鈉離子通道(紫)和鉀離子通道(橘黃)皆未開啟,只有鈉鉀幫浦(藍綠)持續進行主動運輸。圖/Wikipedia

比方說,若是收到興奮性的訊號(專有名詞是「興奮性突觸後電位」;EPSP),就會增加細胞膜對鈉離子的通透性,使鈉離子流入細胞內。因為鈉離子帶有正電,原本維持在 -70 mV 的膜電位就會上升。若是膜電位高於 -55 mV 的閾值,軸突前端的軸丘(axon hillock)就會立即反應,產生動作電位(action potential),以電訊號的形式打開附近所有鈉離子通道,使得鈉離子大量湧入細胞,形成「去極化」(depolarization)。

在去極化階段,鈉鉀幫浦(藍綠)暫停運作,鈉離子通道(紫)開啟,使得鈉離子進入細胞,提升膜電位。圖/Wikipedia

動作電位啟動後,膜電位通常可以衝高到 40 mV。為了平衡細胞膜內過多的正電荷,鈉離子通道便會關閉,而鉀離子通道會同步打開,讓細胞內的鉀離子流出細胞,使得膜電位再次回到帶負電的狀態,稱為「再極化」(repolarization)。

可是,因為鉀離子通道關閉速度較為緩慢,所以當膜電位回復到 -70 mV 時,鉀離子仍不斷流出細胞,造成電位低於靜止膜電位的「過極化」(hyperpolarization)現象。此時,鈉鉀幫浦就會主動消耗 ATP,重複將 3 個鈉離子送出細胞,再將 2 個鉀離子送回細胞的循環,讓膜電位和離子濃度都順利回到最初的極化狀態。

在過極化階段,鈉離子通道(紫)關閉,鉀離子通道(橘黃)開啟,使得鉀離子流出細胞,降低膜電位。圖/Wikipedia

以上四階段(極化、去極化、再極化、過極化)就是一個完整的動作電位!

另一方面,若是樹突上的受體收到抑制性的訊號(專有名詞是「抑制性突觸後電位」;IPSP),就會增加對鉀離子的通透性,使鉀離子流出細胞外,造成原本帶負電的狀態更加極端,無法達到閾值,便不會產生動作電位。

要注意的是,動作電位通常不是根據單一訊號刺激而產生,畢竟神經元隨時都在接收各種不同的訊號,但無論如何,只要加起來的電位變化強度超過閾值,就可以產生動作電位,反之則不會引起任何神經傳導反應。這就是動作電位的「全有全無律」(all-or-none law)。

若是膜電位高於 -55 mV 的閾值,軸丘就會立即反應,產生動作電位。圖/A-Level Biology

動作電位如何傳導電訊號?

軸丘產生動作電位後,並不會反傳回細胞本體,而是傳給隔壁的軸突。軸突是一條細長的神經纖維,只要最前端產生動作電位,就可以引發後續一連串的反應。整個過程類似大隊接力,而且不會往回傳,因為當訊號傳送到下一個位置時,前一個發生動作電位的地方處於再極化狀態,鈉離子通道沒有開放,所以無法同時進行去極化。如此一來,就能確保電訊號單向傳導。

當電訊號抵達軸突末端的突觸(synapse)時,會刺激突觸小泡(synaptic vesicle)釋放神經傳導物質,以化學刺激的形式將訊息傳遞出去。下一個神經元的樹突接收到訊號後,就會根據訊號類型,開啟鈉離子通道(引發去極化,產生動作電位)或鉀離子通道(引發過極化,不產生動作電位)。綜上所述,神經系統就是透過神經元不斷重複這樣的循環來傳遞訊息。

動作電位四階段:(1)極化、(2)達到閾值、(3)去極化、(4)再極化、(5)過極化。圖/國家實驗研究院

最新研究發現大腦耗能的關鍵

現在,我們大致知道了神經元如何以電訊號和化學訊號傳導訊息。(如果你沒有看懂,那也沒關係,總之這整個過程都需要燃燒大量 ATP!)科學家以往都認為大腦之所以這麼耗能,就是因為神經元隨時都在消耗 ATP,而且這些神經元的數量多達 860 億個[2]。可是,過去幾十年的臨床研究發現,在植物人和重度昏迷患者腦內,神經元產生的電活動極少,大腦消耗的能量卻沒有明顯下降。

如果不是電活動,那究竟是什麼消耗了這麼多能量?

去(2021)年底發布在《Science Advances》期刊的一篇研究公布了答案。研究團隊來自威爾康奈爾醫學院(Weill Cornell Medicine),第一作者是提姆.萊恩(Timothy Ryan)教授,他專攻生物化學和結構生物學。近年來,他的團隊深入研究神經元的突觸,試圖找出大腦耗能的原因。有鑑於老鼠的大腦結構和神經迴路都近似人腦,團隊決定透過實驗鼠進行研究。

萊恩教授的團隊深入研究突觸,試圖找出大腦耗能的原因。圖/The Rockefeller University

首先,團隊使用毒素,讓實驗鼠的神經元停止運作,阻斷電訊號,卻發現突觸仍然持續消耗能量。為了進一步釐清原因,團隊將焦點轉移到專門儲存、釋放神經傳導物質的突觸小泡,讓小泡表面各種不同功能的幫浦失去活性,使得突觸無法釋放相對應的化學訊號。

與此同時,團隊利用螢光顯微鏡觀察突觸。經過比對後,發現正在偷偷燃燒 ATP 的是一種稱為「氫離子幫浦」(proton pump)的通道蛋白,其運作形式類似鈉鉀幫浦。研究結果顯示,即使神經元處在休息狀態,突觸小泡內的氫離子幫浦仍然得持續工作,將不同的神經傳導物質送進小泡待命,以備不時之需。可是,作為交換,幫浦會帶走小泡內部的氫離子(H+)。

如果進入小泡的化學物質是甘氨酸、麩胺酸或 GABA,幫浦就會帶走 1 個氫;如果是血清素、多巴胺、組織胺、乙醯膽鹼或正腎上腺素,幫浦則會帶走 2 個氫[3]。有時候,就算沒有任何化學物質進入小泡,幫浦還是會偷偷帶走氫離子,造成小泡內部的氫離子濃度下降。為了維持穩定的離子濃度,突觸小泡必須不斷製造氫離子才能滿足需求,而這樣的過程佔據了 44% 的突觸能量消耗。

研究團隊使用巴佛洛霉素(bafilomycin)抑制氫離子幫浦,發現實驗鼠的突觸能量消耗剩下 56%(圖 E 紅色長條),代表氫離子幫浦的作用佔據了 44% 的突觸能量消耗。圖/Science Advances

萊恩教授表示,雖然每次流失的氫離子數量不多,也就一兩個,但是神經元數量非常多,「即使沒有任何電活動,整體能量消耗依然非常可觀。」目前還不清楚大腦為什麼會有這種機制,很可能是為了預先儲存神經傳導物質,因應突如其來的電訊號,「就像是高速空轉的賽車引擎,雖然會浪費額外的燃料,卻能以更快的速度起步。」

萊恩和他的團隊認為這份研究成果非常可貴,能讓人類對於大腦有更透徹的瞭解,也希望將來能用於治療帕金森氏症(Parkinson’s disease)這類神經退化性疾病。他表示帕金森氏症患者的大腦可能沒有足夠的能量合成 ATP,「這就像是讓一輛油管破裂的賽車高速空轉,很容易釀成大禍。」

註解

  1. Pulido, C., & Ryan, T. A. (2021). Synaptic vesicle pools are a major hidden resting metabolic burden of nerve terminals. Science Advances, 7(49). https://doi.org/10.1126/sciadv.abi9027 
  2. Azevedo, F.A., Carvalho, L.R., Grinberg, L.T., Farfel, J.M., Ferretti, R.E., Leite, R.E., Filho, W.J., Lent, R. and Herculano-Houzel, S. (2009). Equal numbers of neuronal and nonneuronal cells make the human brain an isometrically scaled-up primate brain. Journal of Comparative Neurology, 513(5), 532-541. https://doi.org/10.1002/cne.21974 
  3. Synaptic vesicle – Wikipedia

參考資料

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Heidi_96
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PanSci 編輯部角落生物|外語系還沒畢業,潛心於翻譯與教學,試圖淡化語言與知識的隔閡。

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「科學家也需要 Art!」持續破解果蠅大腦神經迴路的李奇鴻
研之有物│中央研究院_96
・2022/04/11 ・6084字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/歐宇甜、黃曉君、簡克志
  • 美術設計/林洵安、蔡宛潔

神經科學與視覺

我們怎麼「看到」顏色,「察覺」東西在動?大腦如何產生視覺?中央研究院「研之有物」專訪院內細胞與個體生物學研究所所長李奇鴻,他是國際知名的神經科學家,過去長期在美國國家衛生院(National Institutes of Health)做研究,2018 年回到中研院貢獻自己所學。李奇鴻的實驗室主要是以果蠅視覺系統為模型,研究神經元如何在發育過程形成複雜的突觸連結,以及神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。

李奇鴻是國際知名的神經科學家,研究神經迴路如何產生視覺來引導動物行為。圖/研之有物

技術帶動神經科學研究

神經系統如何運作?這對以前的科學家來說是黑盒子。由於大腦發生錯誤或出問題時,會直接表現在外在行為上,早期科學家想了解人腦運作機制,只能透過腦部哪裡受傷壞掉或中風等,知道腦部的大概功能區域,但沒辦法進入細胞層次。

「在生物學的發展上,除了需要有智慧的思考,其他都要靠技術去推動。你可能想到一個有趣的題目,但也許要 30 年後,才出現足夠的技術來解決問題。」李奇鴻舉例,從光學顯微鏡、電子顯微鏡、電生理技術、分子生物學到結構生物學發展,每個都在細胞、分子、及系統層次開啟了新的世界。

隨著顯微技術與遺傳工程日益完備,果蠅成為現今熱門的腦科學研究對象。李奇鴻指出,「果蠅的生長速度快,相較老鼠要幾個月成熟,果蠅只要兩週。果蠅的大腦複雜程度介於人和單細胞生物中間,結構跟人高度相似,成果可應用在人身上。」

因此,近 10 幾年來是神經科學大起飛時代,科學家透過遺傳學方法控制果蠅的神經元活性、觀察行為,藉此了解哪些基因會影響大腦發育和運作,逐漸破解神經迴路的奧祕。

「我在選博士後研究時,想到底要做線蟲、老鼠、魚、果蠅或其他模式生物?最後才選果蠅。回想起來,近年剛好碰到果蠅相關技術蓬勃發展,選果蠅是很正確的決定!」李奇鴻笑道。

李奇鴻引用知名神經科學家 David Marr 的三層假說(tri‐level hypothesis),認為大腦運作有三個層次:

  1. Computation level(運算):神經系統在做的事,如分辨顏色、觀察東西移動、辨認物體是圓是方、是蘋果或橘子等。
  2. Algorithm level(程序):神經系統的操作方式、程序怎麼做。 
  3. Implementation level(實行):神經系統如何透過神經元、神經網路來達成這個程序。

李奇鴻表示,「過去多數神經科學家都在討論 computation,再探究 algorithm,卻沒辦法解決 implementation 。現在因為具備技術,科學家終於能找出 implementation,再回推上層問題,甚至發現 algorithm 跟原本想的不一樣。」

視網膜感知系統怎麼運算?

關於神經系統的操作方式(Algorithm level),也有因為技術進步而解決爭議的案例。李奇鴻舉例,以前神經科學家在研究視覺系統感受物體運動的機制,曾出現幾種理論,HR 理論認為神經訊號是用乘法,另一派 BL 理論認為是用減法,爭議了很久。

近年科學家發現,原來視網膜感知系統的運算機制是混合的,一共三種,稱為 HR-BL 混合視覺運動偵測器。過去兩派都只對了一半。

關於視網膜感知系統的運算機制,過去 HR 理論和 BL 理論都只猜對其中一種方向(打勾處)。資料來源/Current Biology

Hassenstein-Reichardt(HR)模型:從昆蟲行為研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,這個信號會被延遲(時間 τ),接著右邊的光感應神經元收到訊號,兩者的訊號會同時到達下游的神經細胞(X),訊號將會相乘,生成運動訊號。
  2. 當有非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,兩個訊號會在不同的時間到達,不會生成運動訊號。

Barlow-Levick(BL)模型:從兔子電生理研究而來。

  1. 當有偏好方向(從左到右)的視覺刺激出現,左邊的光感應神經元收到訊號,接著右邊的光感應神經元收到訊號,但它為抑制訊號且會被延遲(時間 τ),左邊的訊號會先到達下游的神經細胞,生成運動訊號。
  2. 當非偏好方向(從右到左)視覺刺激出現,左、右兩個光感應神經元的訊號會在相同時間到達,刺激訊號和抑制訊號互相抵銷,不會生成運動訊號。

持續分析果蠅大腦的神經迴路!

近代電腦的所有運算都能用 and、or、Xor 三個邏輯閘表達,科學家想知道,大腦裡有沒有類似但更高階的神經迴路運作方式?「從感官到行為比較容易觀察和操作,目前在視覺運動方面的神經迴路運作,我們知道的最多。」

李奇鴻近年在做昆蟲視覺與行為研究,發現昆蟲在感受顏色,如綠光和紫外光時,感光細胞的處理方式是先將紫外光跟綠光的強度做比較,把兩個光的強度相減,讓原本兩個訊號變成一個訊號,所謂的「顏色拮抗」。

「這種神經迴路能解析、比較兩個顏色強度的差異性,因為大部分在視覺上最重要的正是對比。拮抗運算模組能在一片訊號裡找出哪裡最強、其他較弱。其他感官機制也一樣,像觸摸物品時有凸出來的部分較重要,聽覺上要找出哪個聲音特別高等,讓最重要的訊號能凸顯出來。」李奇鴻補充道。

2021 年李奇鴻的團隊首次發現果蠅視覺系統堆疊了多套拮抗運算模組,以達成顏色及空間接受域雙拮抗的效果,成果發表在《Current Biology》。這樣的神經迴路可以比較相鄰的顏色,產生色彩區間對比感。「沒這樣的功能,我們就看不出紅配綠很悲劇了!」李奇鴻笑道。

科學家們正努力鑽研果蠅大腦的神經運算迴路,希望逐步整理出基本運算模組。或許有一天,看似複雜的大腦功能,都可能用基礎的迴路來破解!

李奇鴻實驗室所發現的顏色及空間接受域雙拮抗神經迴路。R1-R6 是吸收頻率範圍較廣的光接收器(輸出刺激訊號),R7 是吸收紫外光的光接收器(輸出抑制訊號),R8 是吸收綠光或藍光的光接收器(輸出刺激訊號)。從 R1-R8 接收光,輸出到神經細胞 Dm8 之後,會形成顏色拮抗效果。此外,相鄰的 Dm8 之間透過特殊的氯離子通道 GluClα 中介,會產生側向抑制作用(Lateral inhibition),形成空間拮抗效果。資料來源/Current Biology

老師是怎麼走上研究大腦神經科學這條路呢?

「我滿晚才走上科學研究的道路。我對電腦有興趣、喜歡寫程式,大學上中國醫藥學院醫學系,家裡也希望我當醫生。不過在實習時,我發現自己對治療病人沒興趣,反而對問題或疾病本身更有興趣。跟幾個老師談過之後,我決定不當醫生,跑去清華大學讀生命科學,後來就到中研院。」

因為有醫學背景,一開始比較想做能立刻解決問題的研究,像是用蛋白質跟毒素的綜合體來治療癌症。但後來了解,如果沒有深刻了解致病機制、沒有鑽進基礎科學研究,很難有突破。

後來去美國洛克斐勒大學攻讀博士,在洛克斐勒讀書期間,大家常互相交流,對我有很大的啟發。那時我在鑽研結構生物學,希望了解疾病真正的生理過程,曾解開愛滋病病毒跟人體信號傳遞有關的蛋白質結構。

博士畢業前,我接觸到神經科學,感到很有興趣,就去加州大學洛杉磯分校(UCLA)讀博士後,學神經科學裡的發育學,想了解大腦在發育過程是如何用不同分子在細胞間傳遞訊息。那時我待在很大的實驗室,老師不太管學生,要自己想辦法或跟旁邊的人學習,很多人素質都很高,學習環境很好。

之後我進入美國國家衛生院(National Institutes of Health,NIH)開始開實驗室帶自己的團隊,待了 16 年,算是真正進入神經科學領域,直到現在依然在做相關研究。

每個人的人生選擇,都被以前的經歷主導,如果沒有醫學背景,恐怕我不會去學結構生物學或走入大腦神經科學領域。

老師在美國的研究很順利,那是什麼契機才決定回臺灣呢?回來後是否有不適應之處呢?

「我 26 歲出國,在美國也待 26 年,幾乎完全融入美國生活,實驗室運作得蠻好,連太太也是美國人。但在美國很多年後,內心出現一個很深感覺:我在臺灣待過這麼久,臺灣是我進入科學的起點,也許該回來教教臺灣的子弟。」

剛開始有些想法,曾受邀回臺演講幾次,但沒有下決心。後來出現一個重要轉捩點。中研院分子生物研究所 30 週年慶時邀我回來演講,那時有機會跟歷任所長聊天,這些所長中許多是我過去在中研院碰過的老師。聊了後感觸很深,發現每任所長都要面對分生所的成長或各種問題,每個所長都有獨到的見解和重要貢獻。

我看到分生所運作得很好,覺得非常感動, 內心想:也許我回來能效法他們,也許對中研院細胞與個體生物學研究所的發展能有一點點實質貢獻。

雖然如果待在美國國家衛生院,我也會有這樣一個機會,但還是想帶自己的子弟,把力氣用在自家子弟身上,讓自己的國家和組織進步。我想將在美國國家衛生院學到的經驗,像哪些組織可以運作、哪些不行,嘗試帶回臺灣。

我很清楚可能碰到的問題,像科學研究會受影響,要重新花幾年時間建立實驗室,但那次契機讓我徹底下定信心。我曾跟廖俊智院長開玩笑,就算不給我錢,我大概也會回來。因為真的覺得這是一個很好的機會,自己能為中研院、為臺灣做些事。畢竟中研院也一直都像我的家!

不過,畢竟過去在美國實驗室和家裡都是講英文,只有打電話給媽媽會說臺灣話,因此, 2018 年剛回臺灣時,國語講得不太流利,臺灣話反而比較流利。

老師覺得美國的研究環境有哪些優點?希望將什麼樣的新觀念、新風氣帶進臺灣呢?

「國外最大特點是學術交流很頻繁,雖然國內也蠻頻繁,但他們交流層次更深入。也就是說,我跟參與的老師交流之後,常能改變想法、做事方法或方向,且是正向的改變。」

國外老師受邀演講,會很積極在幾小時內一直談,在一天中完全沉浸其中,不單講出自己在做的東西,也要求聽眾給予批評或建議等,彼此有深度交流,我每次參加都覺得收穫很多並產生合作可能性。

國內我的經驗是,演講結束後比較缺乏機會跟其他老師深度溝通,領完演講費就屁股拍拍坐高鐵回來。這可能是國內的慣有模式,我覺得需要改變。現在所內我也要求大家,既然花錢請老師來,一定要做深度交流,請對方給予建議。

重要的不是形式或邀到諾貝爾獎得主之類,而是在演講結束後、這個人走出我的辦公室、這些人離開後,對我做的事或做事方法,是不是有什麼實質的改變?在其他科學家交談中是否能得到啟發,改變自己的思考或做實驗方式?或聽聽別人告訴你,你還有哪些沒想到的地方?

分享,也是一種很重要的技術,在交流過程中,當我們可以把一件事講清楚,自己也會茅塞頓開,知道問題在哪。

現在所裡的計畫是把老師分成各種不同興趣小組,組內做交流或有跨組活動。其餘像寫計劃、申請經費、經營實驗室或撰寫並發表文章,這些是基本技術問題。

做任何工作,一個是基本的核心技術,如果沒有「技」就無法生存;另一個是 「藝」(Art) , 可以驅動你一直做下去。訓練人才時,除了培養技術,還要訓練 Art。

老師提到工作上需要 Art,科學家的 Art 是指哪些部分?可以說明得更詳細嗎?

「我想在科學裡面,Art 有很多面向。例如,你怎麼選擇一個問題,怎麼找切入點,如何把一個大問題拆成幾個可攻破的部分,一步步去解開,這是一種 Art。尤其在選擇問題和切入點上,要有獨特的見解或洞燭先機才能成功。」

科學家必須創造有用的知識。什麼叫有用的知識呢?就是聽到學到後,會改變你想事情的方向或做事的方法。很多東西都可以研究,只要科學方法夠嚴謹,都可以得到一些知識。但到底要選擇什麼題目呢?什麼叫做有趣的問題呢?評斷這些就是科學的 Art 。

如果說在人類前面是一個黑暗深淵,知識像光照亮我們前面的路,科學家就像站在最前面,要知道如何踏出那一步?怎麼踏出去?這是 Art。

當科學家看到一個問題、問題成形後,最重要的關鍵是如何選擇一個核心問題去解決。就像玩拼圖時,要放下去最核心、最重要的那塊拼圖。

我回到臺灣後,覺得這裡的研究環境很好,儀器不輸人家,老師很優秀。但可能我們多半只是關注自己的研究,沒有花時間認真去思考,最重要的一塊拼圖在哪裡?當我們有更深度的交流,才能找到最核心的那一塊,做出最重要的貢獻。

李奇鴻說,科學家必須創造有用的知識,也就是會改變做事和想事情方法的知識。至於要選擇創造什麼知識,需要用 Art 來判斷。圖/研之有物

老師在國外的實驗室時是如何帶領研究團隊呢?對年輕的科學家有什麼樣的期待嗎?

「在碩士、博士訓練中最重要的關鍵,是從「讀」科學變成真正「做」科學。我們攤開一本教科書,看到裡面講這個、那個,只是讀人家的科學。即使去念了原始文章,仍然是看著科學怎麼被別人做出來而已。」

自己真正做研究才知道,教科書上每一頁、每一句,背後都可能有數千篇文章支持,那時才知道自己很渺小,懂得謙虛,了解自己一生能做的有限。

所以,每次要跨出一小步,要想該怎麼跨最有效率、得到最大效果。我認為,在碩士班或博士班,最重要的就是了解這種感覺。

有些學生可能覺得,反正我很渺小,世界這麼大,即使做一輩子,即使最成功的科學家,也不過是得到教科書上面的一句話而已,我怎麼做都沒關係啊。 但我們必須帶領學生了解,這個計畫不是老師叫你做才做,而是讓學生覺得這個計畫是自己的,有前進和發展的空間,就像自己的小孩,必須負責。

以前在碩、博士班,剛開始學會技術、實驗做出結果,或能像人家一樣發表文章,會很高興,但這很短暫,真正的轉捩點是我知道有什麼事,是全世界任何人都不知道的那種驕傲,才是真的能支持很久的。我還記得在某一天做到早上五點,從實驗室走出來,知道有個東西全世界只有我知道的喜悅!

當學生曾感受這種發現真實的快樂,你不用規定他早上幾點來、晚上幾點走,他自己就有動機做。

當一個人想這東西應該是怎樣,想辦法做實驗證明出來時,那真的是一種快樂。我想,這是任何其他行業都沒辦法比較的!

學生是要培養成未來的科學家、獨當一面,應該讓他自己走。即使在你看得到的地方,也要讓他自己走出來,而且,他自己想到的,比你告訴他來的有用。

其實,我當老師最興奮時,是學生告訴我那些我不知道的事,會覺得很喜悅,學生想到我沒想到的東西,表示他們有進步,比我還厲害,這很棒!

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研之有物│中央研究院_96
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