2016年02月18日 星期四 23:57:08

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Cover Story | 封面故事 2017. 4月號

有限資源花在刀口

善用台灣ICT 基礎 扮演世界大腦重要拼圖

文、圖 / 楊傑名

不管是競爭或合作,各國砸重金發展腦科學的態勢,似乎不亞於冷戰時期的軍備競賽,台灣在有限資源的環境下,該如何以自身優勢,在世界大腦研究中占有一席之地,甚至成為不可或缺的一部分,需相關決策者審慎思考。

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自歐盟與美國相繼於2013 及2014 年啟動兩項大規模腦科學研究計劃(詳見前文),似乎也扮演了領頭羊的角色,使全球各國、研究單位、學術機構等陸續加入腦科學領域,可想見未來十年「世界大腦」的概念儼然成形。

 

下一個十年的研究,為什麼是腦科學?為什麼是現在?

 

中研院院士、清大生科院院長暨腦科學中心主任江安世表示,「綜觀生命科學史上的重要突破,從最早期達爾文提出的演化論、華生和克立克發現DNA 雙股螺旋,到目前腦科學可說是最艱難、人類仍尚未理解的一塊領域。」

 

「許多科學的發現都與新工具的發明有關,」江安世舉例,「正如虎克發明第一個顯微鏡看見細胞,110 年前由高基與卡哈發明的鉻酸銀染色法讓世人看到神經細胞,也因此才有腦神經科學的誕生。」

 

由於大腦是個特殊的器官,是身體中細胞密度最為複雜、種類也最繁多的區域,因此雖然腦神經科學的研究已持續了100 多年,但期間卻總是受限於工具的解析度、精準度不足而步履蹣跚。

 

「後來,新工具如1940 年代電子顯微鏡的發明、1950 年代X 光晶體學, 到今天的生化、分生技術、CRISPR 等,更重要的是電腦科學的快速演進,科學家才開始能真正理解大腦的運作。」江安世補充。

 

面對國際積極投入腦科學開發,他指出,台灣缺乏資源,但我們沒有選擇、一定得加入這場「世界大腦戰」,「所以重點是我們該如何加入。」

江安世強調,「加入國際戰並不代表跟著別人走,而是自己一定要有獨特的貢獻,創造出自身價值,讓台灣成為世界大腦中一塊不可或缺的拼圖。」

 

探索腦科學 先繪製「大腦地圖」

正如同一位背包客,要探索一個城市之前,通常會先查詢地圖以便規劃旅程,而腦科學研究亦然,在探索一個生物體的腦功能之前,若有其「大腦地圖」,將會使研究效率大幅提升。

「繪製生物體的大腦神經圖譜,是研究腦科學一件既基礎又關鍵的工作,」長庚大學生物醫學研究所副教授吳嘉霖指出,「但人類腦圖譜的研究是一件十分複雜且困難的工作,且加上倫理上的限制,科學界繪製人腦『地圖』的任務遲遲沒有進展。」由於20 世紀初,研究腦科學的工具並不發達,研究者必須從腦部取出樣品,才得以觀察大腦神經細胞的變化與關聯。因此,早先研究人腦成果最豐碩的階段反而是在戰爭時期。

吳嘉霖舉例,1904 ~ 1905 年間,日本與俄國發生「日俄戰爭」,當時俄軍使用的是莫辛- 納甘步槍,其彈頭初速約620m/s,穿透力強,射入人體後多半會直接穿透而不會造成太大的附帶傷害。

戰爭期間,一位來自日本的眼科專家井上達二(Tatsuji Inouye),原負責檢查日本士兵的視覺損傷,以此結果發給適當的撫恤金。漸漸地,他發現腦部損傷的部位與視野缺失的部位有一定的對應關係,後來也因此完成了人類大腦視覺皮質區功能性定位(Visual Cortex Map)。

然而,因戰爭而帶來的人腦研究機會實屬偶然,目前多數科學家仍將研究目標設定於腦部結構相對較單純的模式生物上,如線蟲、果蠅或老鼠等。

其中,線蟲僅有302 個神經元,加上構造透明、簡單、體積小,是目前唯一已完成全身性神經圖譜繪製的物種。

 

多元基因工具發展 點亮不同腦區

隨著各式基因工具的開發,也幫助人們在觀察各種模式生物的大腦時,能有更好的解析度,其中2007年由美國哈佛大學Jeff W. Lichtman與Joshua R. Sanes 研究團隊開發的「彩虹腦」(Brainbow) 技術就是一個很好的例子。

吳嘉霖比喻,「彩虹腦」技術就像是用基因調色盤在大腦上色,當由紅、綠、藍等色螢光蛋白組成的Brainbow 載體表現於神經細胞內時,不同顏色的螢光蛋白能隨機配對組合,而使大腦中每個神經元在螢光顯微鏡底下呈現出如彩虹般的多樣色彩。

利用Brainbow,科學家能夠在同一時間一次觀察小鼠腦內幾百顆以上神經細胞的樣貌與彼此間連接的方式。

後來,科學家為了進一步觀察神經元之間傳遞訊息的機制,2008 年諾貝爾化學獎得主錢永健開發了一系列生理訊號探針蛋白,其中一項是鈣離子螢光探針蛋白Cameleon,可利用基因技術令細胞自行合成,並會根據周遭環境的鈣離子濃度,發出不同亮度的螢光。

而鈣離子濃度與神經細胞產生之動作電位有著非常緊密的關連性,因此藉由螢光亮度掌握神經細胞內鈣離子濃度變化,便能令科學家間接得知神經元之間傳遞訊息的時機。2013 年,美國珍利亞農場研究園區(Janelia Farm Research Campus) Misha Ahrens 與Philipp Keller 的團隊,運用鈣離子螢光探針及光片照明顯微術(Light sheet microscopy),成功觀察活體斑馬魚幼魚全腦之神經訊號傳遞。

由於斑馬魚幼魚的皮膚與大腦接近透明,大腦尺寸長寬小於0.8mm,厚度也低於0.3mm,僅有約10 萬顆神經元。他們利用基因轉殖的方式,使幼魚腦中每一顆神經元都表現了鈣離子螢光探針蛋白,結合超高速影像系統,就能同時觀察腦中所有神經元傳遞訊號的過程。

 

>>本文節錄於《環球生技月刊》2017年4月號

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