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「頭殼壞去」真的沒救了?讓微型電子網格進入體內修復大腦

PanSci_96
・2016/03/12 ・1520字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

文/李瑋倫

微型電子網格能夠如何助神經科學一臂之力?「不同於以往嵌入到體內的一般晶片,機械生物(Cyborg-type)型態的裝置, 將在不久的將來實現。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏(Charles Lieber)表示。根據目前植入到實驗鼠大腦中的結果顯示,微型電子網格未來可能可以替人操控義肢、義眼、甚至是協助修復大腦損傷、幫助受損組織的細胞再生。

先縮小,再還原

腦細胞
腦細胞會游近並附著在微型電子網格之上。(圖片來源:Lieber Research Group/Harvard University)

聽來驚悚,微型電子網格究竟要怎麼進到一顆腦子裡呢?其實只要打針就可以了。實驗團隊從矽奈米線(silicon nanowires)中製造出場效電晶體(field-effect transistors),發現當這些微型電晶體被放置在液體中的時候,會「蜷縮」起來變得更微小。

於是他們將場效電晶體放進食鹽水、並用針筒將食鹽水注射到實驗鼠的大腦中。在注射完成的一個小時後,場效電晶體就會延展、恢復為原本的形狀。「這個手法其實在生物和藥學的領域很常被用到。」哈佛大學的化學教授查理斯李柏(Charles Lieber)表示。

其實 2012 年時,李柏的團隊就打造了可被神經、心臟以及肌肉組織依附生長的矽奈米線支架(silicon nanowire scaffolds),藉此測試這些細胞會如何對外來刺激做出反應。這次新研發出來的微型電子網格同樣是由矽所製成,但外觀更加扁平、形狀更近似於平行四邊形,這些特性都讓它更容易在浸泡至食鹽水時可以蜷縮至小於針頭的直徑。

覺得「遇水則縮」聽起來沒什麼了不起的嗎?那麼來看看這些微型電子網格原本有多大吧-大約為 3 到 4 公分寬,是針頭直徑的 33 倍大

微型電子網格如何和體內組織好好相處?

想當然耳,「能伸能屈」對於微型電子網格是種非常重要的能力,微型電子網格必須具有彈性,才能和腦部組織互相接合。唯有電子網格能夠保持足夠的柔軟,才能確保它不會傷及體內組織、減少副作用、避免免疫反應發生。
奈米電子學的目標是要能夠擔任細胞外基質的角色去「抱住」細胞們。在李柏的團隊和實驗鼠的努力之下,發現微型電子網格可以和腦細胞良好的結合,甚至可以幫助修補中風或脊髓受損造成的損傷。「這幾乎是達成一種『人工突觸』的程度了。」李柏表示。

看看過往瓶頸,想想未來展望

微型電子網格可扮演感測器的角色,測量藥物如何幫助心臟更加順利跳動。在這種情況下,這類型裝置的最大挑戰都在於促成電子和細胞之間的通訊。以目前的醫療科技發展,醫生其實已可運用電極裝置,去測量大腦或肌肉發出的訊號來嘗試控制義肢,但使用電極裝置的副作用也不少。以為了深度刺激帕金森氏症患者腦部的微型電極裝置為例,疤痕會引起絕緣問題,一旦如此醫生就必須不斷調整電極的位置並重新發出電波訊號,而導致患者的不適。

目前實驗團隊仍在測試微型電子網格能否維持到 3~6 個月的穩定度。而這項技術若要真正被實踐在人體上,恐怕還需要數年的時間。李柏對於未來的技術發展充滿期待,例如幹細胞是否能隨同網格一同注射、或是直接改變網格表面的化學物質讓他們和特定細胞互相結合、或是建造更複雜、但也更高能力的網格。

糖尿病
或許某一天,糖尿病患者將不再經由血液來判斷他們的胰島素狀況。source:pixabay

「如果微型電子網格的能力越高,我們就能對它的應用有越多想像,例如在不用針頭插入的狀況下,就可以藉由植入奈米裝置來監測糖尿病患的胰島素狀況,或是,使用感測器來持續追蹤心臟病風險群病人的血小板生成。」李柏說。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧


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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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