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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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神經科學研究的新利器

譯/ 梁豫婷

自從幾年前,加州理工學院安德森(David J. Anderson) 實驗室決定探究侵略性的生物學觀,行為神經科學開始在加州(不然呢?) 形成姑且可稱作「別作戰,做愛」(make love,not war)的學門。研究人員先安排小鼠版《勁爆實況拳擊》:他們激怒雄性小鼠,讓小鼠彼此纏鬥,再克服重重困難,針對攻擊開始後變為活躍的少數下視丘細胞進行檢測。

下視丘位於大腦的深處,這個小構造的功能之一是在接收感知訊息後(例如:眼前出現競爭對手) ,調節做出本能行為反應。早在 1920年代,瑞士蘇黎世大學的華特赫斯教授(Walter Hess, 188101937, 1949年諾貝爾獎得主) 已證明,將電極置入貓的大腦之後,以電流刺激下視丘特定區域的話,會讓原本溫馴恬靜的貓咪立刻變得張牙舞爪。

儘管陸續有一些有趣的假說試圖解釋這種轉變的過程及原因,卻遲遲無法得到科學驗證。攻擊之謎跟許多腦科學的基本問題一樣,卡在常見的實證困境裡,以致直到上個世紀末仍未能解開。我們早就問了很好的問題,卻苦於缺乏足以獲得解答的技術。

到2010年時,安德森在加州理工學院的實驗室已經開始從這些逞凶鬥勇的老鼠中,抽絲剝繭,找出腦中基本的攻擊機制和神經迴路。藉由一系列能夠針對大腦區域內不同細胞團塊,進行解剖學研究的新技術,研究人員意外發現:下視丘內似乎與攻擊行為有關的一個微小部位,竟然與交配衝動相關的部位交纏在一起。這個學術上稱作下視丘腹內側核(ventromedial hypothalamus) 的細胞團塊,大約由5,000個分工合作的神經元所組成,有些顯然與交配有關,有些則與打鬥有關。

「沒有所謂的通用神經元這種東西。」安德森估計,我們的腦中可能有多達10,000種不同神經元。他表示,即使腦內微小的區域也由「往往對行為產生不同作用,甚至相反影響」的各種神經元所組成。以下視丘來說,位於此處的有些神經元似乎在攻擊行為時會變得活躍,有些則在交配行為時活躍,還有一小部分(約占總數的 20% ) 無論在打鬥和交配過程都會很活躍。

這個發現雖然令人振奮,但本質上仍不脫傳統神經科學的範疇。由於活躍與引發行為並不相同,兩者之間僅具有相關性而已,科學家要怎麼找出觸發行為的真正原因?他們有沒有辦法單靠操控小鼠下視丘的幾個細胞,就造成小鼠無緣無故開始挑釁?

直到10年前,這在技術上仍然不可行。但自從美國史丹佛大學的科學家發明了光遺傳學(optogenetics),並於 2005 年著述發表後,這項傑出的新技術在過去1年間大幅改變了神經科學的研究。加州理工學院的研究人員成功將改造後的光敏基因,植入雄性小鼠腦中特定位置的特定細胞內,接著,將細如髮絲的光纖線插入時而好鬥又時而好色的小鼠活腦中,再以光訊操控小鼠下視丘的這個人工神經元開關。

安德森和他的團隊運用光遺傳學實驗,製作了一段影片,戲劇化地呈現囓齒類動物深刻的愛恨衝突。影片中可以看到雄性小鼠原本正與雌性小鼠發乎自然地交配,但當加州理工學院的研究人員開啟瞬光,前一刻還色瞇瞇的雄鼠當場大動肝火。一旦控制燈打開,即使個性溫和的雄鼠都會受到誘發,開始去攻擊附近的任何目標:包括他自己的性伴侶、其他雄鼠、閹鼠(通常並不被視為威脅),甚至連投進籠子裡的橡膠手套也不放過。

安德森總結說明:「用光遺傳學技術活化這些神經元足以激發小鼠的攻擊行為,他們不只是對像其他雄鼠這種合情合理的對象施暴,連對雌鼠及無生命的物體之類不合常理的目標也會凶性大發。」相反地,研究人員也可以通過關燈的動作,在打鬥中抑制這些受到活化的神經元,他說:「如此一來,攻擊會因此戛然中止。」
另外,這項研究也認為,在生物的行為演算法上做愛往往比作戰優先,也就是說,愈接近生殖行為完成時,小鼠愈能耐受(或無視)瞬光對攻擊行為的觸發。在一篇發表於《生物精神病學(Biological Psychiatry)》,題為《腦的光遺傳學、性和暴力:對精神病學的啟發(Optogenetics, Sex, and Violence in the Brain: Implications for Psychiatry)》的論文中,安德森提到,「也許『別作戰,做愛』的原則早已預先配置在我們的神經迴路裡,範圍之大,超出我們原先所能理解的程度。」我們可能既好色又好鬥,而這兩種難以克制的衝動在腦神經系統中卻隔著最近的距離。

當然,這不表示接下來為了遏制攻擊行為,我們就要開始在腦部安裝神經斷路器。然而,正如安德森所言,這項研究更重要的,其實是凸顯了新技術能夠如何改革腦神經科學的研究。他說:「光遺傳學技術所帶來的重大變革,在於能夠將密切相關的不同科學領域統整後,測試他們彼此之間的因果關係。」

其中最重大的突破在於,科學家從此可以運用光遺傳學技術精準地干擾單獨一個細胞或一組細胞的活動,據以觀察並勾勒出對不同行為產生作用的神經迴路。原有的造影技術只能用來從旁觀察運作中的腦,光遺傳學技術則能在特定時機介入操控腦的特定部位,進而影響腦神經的運作,並觀測隨之所引發的變化。

在目前這個神經科學研究儼然進入百家爭鳴的全盛時期,光遺傳學只是眾多領先的劃時代革命性技術其中之一。

美國與歐洲的幾項大型計劃都急於早日全面了解人類的大腦(這團1.3公斤重的豆腐裡,密密麻麻布滿著盤根錯節的神經元、結締組織、迴路)。我們的腦究竟如何從抽象思維到基本感覺的處理過程中,引發出暴力攻擊之類的情緒。科學家現在既然可以運用這些新工具來研究大腦各種費人疑猜的作用如何達成,如此一來,意識、自由意志、記憶、學習等主題都成為研究人員競相研究的對象。

連結

早在2000餘年前的古希臘時期,醫學之父希波克拉提斯Hippocrates便指出,要想了解心智,必須先研究大腦。過去2000年來,他所提出的這個前提從未改變,唯一改變的是神經科學家可以用來完成這項任務的工具。

如同科學史,神經科學史往往也是段隨著設備和技術推陳出新而發展的故事。義大利醫生兼解剖家路易吉爾瓦尼(Luigi Galvani) 第一次在實驗室因意外電極造成青蛙肌肉抽動後,開啟了後續許多以電探針測定進行的研究:例如,華特赫斯(Walter Hess)以電流刺激貓的實驗,以及運用在帕金森氏病治療的腦深層電刺激療法(全球目前約有30,000名帕金森氏症患者,接受腦內植入電極治療)。

而膜片箝制法的發明,則讓神經解剖學家得以觀察神經元在觸發前,內部離子的消長。此外,保羅勞德伯(Paul Lauterbur)當初想必沒料到,1970年早期他在紐約州立大學石溪分校的實驗室裡,用強磁場對付一隻倒楣的蛤蜊時,他和他的同事們其實正在奠定核磁共振造影(MRI) 儀器開發的根基,而這項關鍵技術的出現,有助於日後科學家能夠一窺活體腦的內部影像和活動。

儘管如此,近幾年在神經遺傳學和基因工具的長足進步,才真正掀起了一場神經科學研究的革命。這些突破性的成就新發展讓光遺傳學核心的基因控制變得可行。甚至,更加新穎的基因編輯(genome editing)方法,還可以用於在實驗室中精確改造活細胞的遺傳基因。人腦中約有860億個神經元,可分為數千種不同類型,光遺傳學等新技術的出現,意味著科學家開始能夠分辨不同類型神經元的作用。

一項新的研究技術是否具有價值,最好的判斷標準莫過於是否有許多科學家很快就學習掌握這項技術,並用來攻城掠地,開拓科學新領域。正如美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology; MIT)參與開發光遺傳學的科學家波伊頓(Edward Boyden)所言,「新技術的出現往往會引起科學家之間激烈的地盤爭奪。」

正當神經科學界的研究人員在競爭基因體學和光遺傳學的良機時,陸續仍有其他新的技術進展登場。例如,有一種新的化學處理法可以用來直接觀察哺乳類動物的腦神經纖維;機器人微電極(robotic microelectrodes) 能夠用來暗中觀察(及操控)動物的個別活體細胞;而更精密的造影技術則讓研究人員得以比對腦切片中的神經細胞和纖維以製作立體的連結圖譜。科學家利用這些工具逐步探索並認識腦神經活動,希望能藉此一舉捕獲最大的認知獵物:囊括記憶、決策、意識、焦慮症和憂鬱症等精神疾病,以及,沒錯,性和暴力。

2013年1月,歐盟委員會正式在「未來與新興科技旗艦方案(Future and Emerging Technologies; FET)」架構下,投入了10億歐元進行「人腦計畫(Human Brain Project; HBP)」。共有24個國家,112所研究機構的數百名科學家參與這個計畫。研究人員將就12個學術領域分工合作,預計在未來10年內,繪製出完整的人腦神經連結圖譜。幾個月後,在2013年4月,美國歐巴馬政府宣布展開「先進創新神經技術腦研究(Brain Research through Advanced Innovative Neurotechnologies; BRAIN)」計畫,預計將挹注高達10億美元的經費,初期多數用於相關的技術開發。除此之外,還有人腦連結圖譜計畫(Human Connectome Project )。這個計畫的目標是利用腦組織連續切片的電子顯微鏡影像,製作神經細胞及連結的人腦立體圖譜。美國維吉尼亞州霍華休斯醫學研究中心(The Howard Hughes Medical Institute) 及西雅圖艾倫腦神經科學研究中心(Allen Institute for Brain Science) 同時也在進行其他相輔相成的連結比對及圖譜繪製計畫。以上這些計畫,無論經費來自政府預算或民間資助,目標都是結合全球神經科學家的努力,分進合擊,逐步建立起小至基因及細胞,大至神經連結及迴路,對人腦的系統性完整知識。

去年12月BRAIN計畫展開後,美國國家衛生研究院(National Institutes of Health; NIH) 的第一步便是提供4,000萬美元研究經費,徵求與神經科學相關的技術開發計畫。「為什麼 BRAIN 計畫這麼重視技術呢?」身為籌備計畫的共同主持人,美國洛克菲勒大學(Rockefeller University)神經科學家科妮莉亞巴格曼(Cornelia Bargmann) 回答道:「因為這個計畫的真正目標,是一舉洞悉腦在許多層面,以及相異的時間、空間中,與不同神經元間如何運作,然而技術上的力有未逮,卻讓研究人員至今依舊難以窺見全貌。」

暗中觀察

光遺傳學技術的起源要追溯到2000年一場在史丹佛大學的深夜閒聊。那天晚上,神經科學家卡爾戴瑟羅斯(Karl Deisseroth)和波伊頓你一言,我一語,熱烈討論起可以如何辨識判別腦中特定的神經迴路活動,甚至能夠用什麼方法加以操縱控制。當時已獲史丹佛大學神經科學博士學位的戴瑟羅斯,很想徹底了解(而且最終能治癒)從希波克拉提斯時期至今,一直困擾人類的各種精神疾病,尤其是焦慮症和憂鬱症。而正在研究所攻讀腦神經功能的波伊頓則是對神經技術的一切充滿好奇。起初,他們天馬行空地想在完好的動物活腦中植入小磁珠,用來操縱腦神經的運作。但在接下來5年間,反而冒出了完全不同的點子。

1970年代以來,微生物學家便一直在研究視紫質(rhodopsins),這是一種在細菌、真菌、藻類等簡單生物中都找得到的光敏分子。視紫質的作用類似幫細胞壁把關離子進出的守門員,一旦偵測到特定波長的光線,這類蛋白質會讓細胞外的離子進來或放細胞內的離子出去。這種離子的消長正反映神經元觸發的過程:神經細胞內的電荷上升,直到細胞產生神經脈衝、沿著纖維(軸突 )傳遞到突觸並在此放電,將訊號傳遞往下一個神經細胞。

科學家的推測是,若能把神經元中的一個基因掉包成光敏蛋白,那麼,向這個細胞打光可能會觸發神經傳導。簡而言之,研究人員就可以在動物意識清醒時,瞬間開啟或關閉他們體內的特定神經元。

2004年,戴瑟羅斯成功地在實驗室中,將光敏分子的基因從藻類取出後,植入哺乳動物的神經細胞內。戴瑟羅斯和波伊頓接著證明,藍光可以觸發神經元傳導。

大約在同一時間,一位名叫張鋒的研究生進入戴瑟羅斯的實驗室。早在愛荷華州狄蒙市就讀中學時,早慧的張鋒就已經具備分子生物學和基因治療技術的高深知識。他示範了光敏分子的基因可以透過基因改造病毒植入神經元中。

同樣用藍光脈衝,史丹佛大學團隊證明,經病毒改造過的哺乳動物神經細胞可以用電脈衝加以開啟或關閉。2005 年,戴瑟羅斯、張鋒、波伊頓3人聯名將描述這項技術的論文發表於《自然神經科學(Nature Neuroscience)》期刊,(根據波伊頓的說法,是被《科學(Science)》退稿後轉投。)(「光遺傳學(optogenetics)」 一詞則等到隔年才出現)。

神經科學家立即善用這項技術將光敏基因植入動物活體中,進行各種研究。例如:戴瑟羅斯實驗室裡的研究人員就藉此找出控制小鼠焦慮的新路徑。此外,戴瑟羅斯實驗室和他們在紐約西奈山醫院(Mount Sinai Hospital) 的合作團隊,也用這項技術成功地誘發及抑制大鼠小鼠的憂鬱症。麻省理工學院的利根川進(Susumu Tonegawa) 實驗室最近則使用光遺傳學技術,在實驗室動物的腦中製造產生假記憶。

去年12月,我到麻省理工學院拜訪波伊頓教授,在他位於媒體實驗室(Media Lab) 的辦公室中會面時,這位科學家談到他近期最喜歡的一篇光遺傳學領域論文。波伊頓用跟打字一樣飛快的速度,講起幾項已經開發完成的第二代光遺傳學技術。其中一項可用來暗中觀察動物被麻醉後或清醒時體內的單一神經細胞活動,藉此窺視動物失去意識後,單一神經元內「表面活動下的波濤洶湧」。波伊頓說,「這下子一來,我們真的能看清楚到底是什麼在思考、意識、感受。」

除此之外,波伊頓的團隊剛發表一篇關於光遺傳學技術新發展的論文:獨立的個別神經通路現在可以同時以紅色和藍色光波分別加以操控。這項技術以後或許能用來觀察不同的神經迴路如何相互作用,彼此影響。他們同時在開發各種「精細密集到瘋狂程度」的記錄探頭和顯微鏡,以便仔細追蹤全腦活動,說實話,他這個目標訂得不低。

波伊頓解釋道:「我的想法是,我們有沒有辦法追蹤記錄所有的腦細胞?因為這樣一來,研究人員就可以看見思考、決策或其他複雜的現象,是如何經過知覺、感情、決定、行動等歷程逐漸形成。」

隔幾條街之外,現在已經成為麻省理工學院助理教授,並在布洛德中心(Broad Institute) 兼任的張鋒,則在受訪時列舉一些神經科學領域中,可能面臨新技術挑戰的老問題。

他一一細數道:「譬如說,我們有沒有辦法能夠擴充並提升記憶力?神經迴路的基因編碼是什麼?要怎麼改編基因的遺傳指令?導致腦神經系統搭錯線或其他故障的基因突變要怎麼去修補?老年人的腦要怎麼回春?」

張鋒除了參與光遺傳學技術的發明,並主導開發先進的「規律空隙短迴文重複序列叢集」(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats; CRISPR) 基因體編輯技術 (參閱本刊6月號的《2014年十大跨時代科技(上)(10 Breakthrough Technologies: Genome Editing)》)。科學家可藉由此項技術針對個別基因(如神經元中的一個基因)加以刪除或修改。

如果用這個方法來製造已知或可能引起腦神經疾病突變,腦神經科學家就能夠在實驗室動物身上研究這些疾病的歷程。另外,研究人員還可以在實驗室用CRISPR技術將幹細胞改造後再培養成神經元,好觀察驗證成效。

透明度

門診治療自閉症跟憂鬱症病患之餘,戴瑟羅斯持續在史丹佛大學研發自己及其他學者可以用來研究這些病症的工具。去年夏天,戴瑟羅斯實驗室宣布找到一種新方法,能夠用來觀察連結大腦不同區域的神經纖維纜線分布情況(也就是白質)。這項被命名為「澄清(Clarity)」的技術,是用來處理死後完整取出的腦。研究人員先以透明膠狀物固定住腦組織中的蛋白質和DNA等生物分子,再用特定洗劑去除腦組織中會阻礙光線穿透的脂質。

經過澄清處理後的樣本,透明度獲得大幅改善,全腦結構中的立體線路分布情況,能夠看得一清二楚。

這些嶄新工具正改變許多神經科學傳統觀點。例如,戴瑟羅斯便在今年發表於《科學》一篇評論文章中指出,腦深層電刺激已被廣泛用於治療顫抖症、癲癇、焦慮症、強迫症,然而光遺傳學技術的出現卻動搖了這種療法的某些理論基礎。
儘管沒有人確切知道腦深層電刺激法的作用機制為何,但以往推測,這種手術的臨床療效來自對腦中特定區域的電流刺激:由執刀的神經外科醫師,發揮精湛的功力,將電極分釐不差地植入準確位置。

然而,2009年時,戴瑟羅斯和同事發現,刺激電極附近的神經纜線(白質)反而對改善帕金森氏症臨床症狀的效果最優。換句話說,影響療效好壞的最重要條件不是電極植入的位置,而是受電流刺激的那個區域有哪些神經通路經過。

科學家發表最新成果時,經常會用「出乎意料」或「沒想到」之類的詞句形容,光遺傳學技術出現後對精神疾病現有知識衝擊之大,可見一斑。

同樣地,加州理工學院的安德森指出,過去20年政府與學界對功能性核磁共振造影(functional magnetic resonance imaging; fMRI) 研究的熱中程度,讓人以為腦部某些區域是特定神經活動的「中樞」,如:杏仁核是「恐懼中樞」或下視丘是「攻擊中樞」。

但他將 fMRI比作在 30,000英尺高空中,從飛機上俯瞰夜景,卻「試圖想看出一個小鎮裡發生什麼事」。相比之下,光遺傳學技術則能用來仔細觀察下視丘裡一個小小的細胞群,因而得以將「攻擊的景象」看得更細緻入微。畢竟在下視丘這座小鎮裡,活化某個神經元能讓一個生物迫不及待想要作戰,但活化緊鄰的另一個神經元,卻可以讓他性致高昂渴望做愛。

使用這些新興技術,科學家有史以來首次能夠即時觀察人類當下的認知活動,藉此了解我們的想法、感覺、預感、精神異常是如何在某些特定類型細胞的活動歷程中,透過神經迴路而產生。

儘管摸索才剛開始起步,但隨著近年來技術發展的日新月異,腦神經活動歷程的全貌或許很快就會無所遁形,甚至比起光遺傳學幾年前剛出現的時候,任何人所能想像的還更早實現。

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