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文／陳摘文｜于臺大與德國歌廷根大學(xué)取得電機(jī)學(xué)士與神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位，畢業(yè)后到美國珍利亞研究所進(jìn)行博士后研究，于2015 年回臺任教，目前任職于國立陽明大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所。 每天當(dāng)你睜開雙眼，流暢的高畫質(zhì)影音便自動傳入你的大腦，毫不費(fèi)力地，大腦對這巨量的訊息進(jìn)行即時分析，辨識出影像中的每張面孔，跟記憶中上百張臉比對。依據(jù)過去的經(jīng)驗，你做出了決定。你的念頭在一瞬之間抵達(dá)了位于左腦的語言皮質(zhì)，在那里合成出你的反應(yīng)──「親愛的，早安?！惯@一切都發(fā)生在幾個毫秒之間，你的大腦是怎么辦到的？ 竊聽神經(jīng)元訊號人類的大腦由上千億顆神經(jīng)細(xì)胞組成，每顆神經(jīng)元的型態(tài)不盡相同，可是他們都透過調(diào)變細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差來傳遞訊號。一個多世紀(jì)以前，科學(xué)家就已經(jīng)知道神經(jīng)細(xì)胞的訊號，是以全有（1）或全無（0）的數(shù)位方式傳遞，猶如電腦的運(yùn)作方式。神經(jīng)細(xì)胞的1，是大小約0.1伏特，持續(xù)約0.001秒的膜電位脈沖，科學(xué)家們稱之為「動作電位（action potential）」。
一般認(rèn)為，大腦神經(jīng)元所有的溝通跟運(yùn)算，都是透過動作電位來執(zhí)行。這也難怪，一百多年來，科學(xué)家絞盡腦汁想要記錄神經(jīng)元的電訊號，就如同特務(wù)在電話交換機(jī)夾上竊聽器一般，科學(xué)家在大腦中插入電極來竊聽神經(jīng)元的秘密。可是，神經(jīng)細(xì)胞的訊號非常微小，想要竊聽到單一細(xì)胞的訊號，電極必須要放在細(xì)胞旁邊，甚至要插到細(xì)胞里面才行。然而，大腦像是個超高密度的積體電路，每立方公厘的組織里擠著數(shù)萬個神經(jīng)元。不夠微小的電極，或是實(shí)驗中最細(xì)微的震動，都是精密的神經(jīng)網(wǎng)路最致命的殺手。 這些困難都難不倒鍥而不舍的神經(jīng)科學(xué)家。隨著科技的發(fā)展，如頭發(fā)一般細(xì)的微電極，超靈敏、低雜訊的放大器，以及穩(wěn)定的機(jī)器手臂陸續(xù)發(fā)明。這讓科學(xué)家能將電極準(zhǔn)確插入腦中，并在麻醉或什至是清醒的大腦里分離出單一神經(jīng)元訊號，讓我們一窺大腦運(yùn)作的秘密。到目前為止至少有十多位諾貝爾獎得主的研究（包括2014 年生醫(yī)獎的3 位獲獎?wù)撸寂c神經(jīng)電訊號的紀(jì)錄與分析有關(guān)。 然而，即使在科技進(jìn)步的今天，用微電極記錄腦中的每一個神經(jīng)細(xì)胞，仍然是遙不可及的夢想。因為這代表著要在腦中插入無數(shù)的電極，并精準(zhǔn)放置在每個細(xì)胞旁邊。以目前最先進(jìn)的電極陣列，在一立方公厘大小的空間里最多能記到約十多顆神經(jīng)元，只占總細(xì)胞數(shù)的千分之一。試想，如果一本書只能隨機(jī)讀取千分之一的文字，是要如何了解書中的內(nèi)容呢？這是一直以來困擾科學(xué)家的問題── 到底要如何大規(guī)模記錄每一個神經(jīng)元所傳遞的訊號呢？ 分子探針潛入細(xì)胞如果有一種超小型探測器，小到能輕易的放到細(xì)胞里，量測細(xì)胞的訊號并且用無線的方式傳送出來，這樣我們是否有機(jī)會大量竊取神經(jīng)細(xì)胞的密碼呢？這聽起來像是天方夜譚，可是2008年諾貝爾獎得主錢永健（Roger Yonchien Tsien）竟然在20多年前就想到了辦法。他的實(shí)驗室開發(fā)出一系列超小型的無線生理訊號探針。令人驚訝無比的是，這些探針竟然比細(xì)胞小了1000倍以上，而且可以由細(xì)胞自行合成，稱之為分子探針（molecular probe）。
生物學(xué)家很早以前就知道，細(xì)胞其實(shí)是復(fù)雜無比的微型工廠，無時無刻根據(jù)儲存在DNA 序列中的基因藍(lán)圖，制造出細(xì)胞生存所需的超小型零件──蛋白質(zhì)。根據(jù)不同DNA 序列可制造不同的蛋白質(zhì)，有的幫助細(xì)胞運(yùn)送貨物，有的負(fù)責(zé)偵測細(xì)胞內(nèi)的生理反應(yīng)，有的協(xié)助細(xì)胞產(chǎn)生電訊號。 海洋生物學(xué)家下村修（Osamu Shimomura）發(fā)現(xiàn)，海中水母的細(xì)胞竟然會制造可發(fā)出螢光的蛋白質(zhì)。換句話說，早在千萬年前，演化的愛迪生就已經(jīng)發(fā)明了超小型的分子燈泡，在黑暗中照亮著大海。錢永健有個充滿野心的想法：既然演化創(chuàng)造了能偵測生理反應(yīng)的蛋白質(zhì)，以及可發(fā)出螢光的蛋白質(zhì)，我們是不是能結(jié)合這兩種蛋白的功能，把細(xì)胞內(nèi)的生理訊號轉(zhuǎn)換成螢光的訊號，傳送給在細(xì)胞外觀察的科學(xué)家？
運(yùn)用基因工程的技術(shù)，以及不斷的嘗試，錢永健的實(shí)驗室成功結(jié)合不同功能的蛋白質(zhì)，創(chuàng)造出許多嶄新的螢光分子探針。這包括在1997 年與宮脅敦史（Atsushi Miyawaki）首度發(fā)表的鈣離子螢光探針「變色龍（Cameleon）」。 Cameleon是可由細(xì)胞自己合成的蛋白質(zhì)分子，會根據(jù)周遭環(huán)境的鈣離子濃度，發(fā)出不同亮度的螢光。在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)表現(xiàn) Cameleon，科學(xué)家便可透過觀察細(xì)胞發(fā)出的螢光強(qiáng)弱，即時地推測細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的高低。在神經(jīng)細(xì)胞之中，鈣離子濃度與細(xì)胞電訊號（即神經(jīng)動作電位）有非常緊密的關(guān)連。每當(dāng)神 經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生動作電位時，細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度都會有短暫且微小的上升。讀取這些細(xì)微的鈣離子濃度變化，將能讓科學(xué)家間接推知神經(jīng)細(xì)胞所傳送的電訊號密碼。 超敏感螢光探針在錢永健的Cameleon推出之后，日本的中井淳一（Junichi Nakai），德國的格里斯貝克（Oliver Griesbeck）等人陸續(xù)嘗試改良鈣離子螢光探針的敏感度，希望能將神經(jīng)電訊號透過鈣離子探針轉(zhuǎn)換成光訊號。我在美國珍利亞研究中心（Janelia Farm Research Campus）進(jìn)行的博士后研究，也以改良鈣離子螢光探針的敏感度為主題。運(yùn)用大規(guī)模突變與自動化功能篩選，我們的團(tuán)隊在2013年發(fā)表了新一代的超敏感鈣離子螢光探針GCaMP6。GCaMP6對微小鈣離子訊號的敏感度比過去提高了十倍之多。這讓科學(xué)家第一次能夠可靠地在活體動物的腦中偵測到單一細(xì)胞、單一個動作電位所產(chǎn)生的螢光訊號。 用光學(xué)影像偵測神經(jīng)訊號有什么樣的好處呢？首先，非侵入式的螢光造影免除了插入電極造成的傷害。目前最常使用的雙光子顯微鏡技術(shù)，運(yùn)用紅外線脈沖光來激發(fā)螢光分子，可穿透數(shù)十層的細(xì)胞，偵測到大腦皮質(zhì)深處單一細(xì)胞的微弱螢光訊號。其次，光學(xué)顯微鏡可以清楚解析細(xì)胞的型態(tài)與位置，讓我們了解所記錄細(xì)胞的身份。最重要的，光學(xué)方法讓大規(guī)模的神經(jīng)訊號讀取不再是夢想。運(yùn)用基因轉(zhuǎn)殖，科學(xué)家可在腦中每一顆神經(jīng)細(xì)胞都放入鈣離子偵測蛋白。結(jié)合視野較大的鏡頭，可同時記錄數(shù)百或數(shù)千顆神經(jīng)細(xì)胞。這種紀(jì)錄規(guī)模是過去運(yùn)用微電極所無法想像的。
大規(guī)模讀取神經(jīng)訊號短短幾年間，運(yùn)用螢光探針大規(guī)模讀取神經(jīng)訊號的技術(shù)已被廣泛運(yùn)用在果蠅、斑馬魚及小鼠等模式生物研究。去（2015）年12月，一個日本東京大學(xué)的團(tuán)隊甚至將此技術(shù)成功運(yùn)用在讀取靈長類動物的神經(jīng)訊號。觀察活體腦中細(xì)胞的實(shí)驗大都需要在頭部固定的情況下進(jìn)行，以避免影像的振動。但實(shí)驗者仍可透過虛擬實(shí)境，研究大腦對外界刺激的反應(yīng)與編碼。當(dāng)中野心最大的計畫之一，是由微軟共同創(chuàng)辦者艾倫（PaulAllen）資助3億美金的「大腦天文臺（Brainobservatory）」計畫，期望用最新科技探索腦內(nèi)的小宇宙。這個計畫的短期目標(biāo)是對小鼠視覺皮層的編碼功能做一個徹底的繪測，采用的便是以鈣離子螢光探針進(jìn)行大規(guī)模神經(jīng)紀(jì)錄的方法。 螢光探針的發(fā)展讓我們輕易的記錄腦中上千顆神經(jīng)細(xì)胞的訊號，可是全腦的神經(jīng)細(xì)胞還是遠(yuǎn)大于這個數(shù)量──我們有辦法觀察腦中每一個神經(jīng)細(xì)胞的訊號嗎？ 2013 年， 美國阿倫斯（Misha Ahrens）與凱勒（Philipp Keller）的團(tuán)隊運(yùn)用鈣離子螢光探針及光片照明顯微術(shù)（Light sheet microscopy），在斑馬魚幼魚中成功地達(dá)成了這個歷史性的目標(biāo)。斑馬魚幼魚的皮膚與大腦都接近透明，整個大腦的長寬不到0.8 mm，厚度不到0.3 mm，總共約只有10 萬顆神經(jīng)細(xì)胞。利用轉(zhuǎn)基因的方式，他們在幼魚腦中每一顆細(xì)胞中都植入了鈣離子敏感的螢光蛋白。結(jié)合超高速影像系統(tǒng)，他們幾乎可同時觀察腦中所有神經(jīng)細(xì)胞的活性。 在實(shí)驗當(dāng)中，幼魚被包埋在透明凝膠中無法自由移動。可是透過紀(jì)錄控制肌肉的運(yùn)動神經(jīng)，實(shí)驗者可以推知小魚「希望」往前游，往右轉(zhuǎn)或是往左轉(zhuǎn)。運(yùn)用這種方法，這兩人的團(tuán)隊解析了幼魚腦中將外界刺激轉(zhuǎn)換成行為控制訊號的完整回路。在達(dá)成記錄斑馬魚全腦神經(jīng)細(xì)胞的里程碑之后，科學(xué)家們正致力發(fā)展更新的技術(shù)，希望能在哺乳類動物（如小鼠）的腦中上也能夠記錄所有神經(jīng)細(xì)胞。 相較于斑馬魚，小鼠大腦與人腦更為接近。而且許多神經(jīng)退化與精神方面的異常，都可以在小鼠上進(jìn)行模擬。如果能在清醒的小鼠腦中全面記錄分析每個細(xì)胞的功能，或許我們能夠更進(jìn)一步找出失憶癥、自閉癥、憂郁癥或知覺失調(diào)癥的大腦中，究竟出了什么樣的問題。 突破活體觀察的障礙然而，即便是小鼠，同時觀察腦中所有的神經(jīng)細(xì)胞仍是目前無法達(dá)到的目標(biāo)。小鼠的腦比斑馬幼魚的腦大了上千倍，共有約7000 萬顆細(xì)胞。目前用光學(xué)技術(shù)能夠觀察到的細(xì)胞，仍局限于最表面的大腦皮質(zhì)。較深的腦區(qū)，如掌管記憶的海馬回與掌管情緒的杏仁核等，仍需透過安裝較為侵入式的內(nèi)視鏡才可觀察。主要原因是光線通過大腦組織時會產(chǎn)生散射，無法在腦中深處聚焦成清晰的影像。最近雖然有許多實(shí)驗室發(fā)展出讓腦組織變成透明的方法，如史丹福大學(xué)戴瑟若斯（Karl Deisseroth）的Clarity，與清大江安世院士的Focus clear 等，可是這些技術(shù)都只能用在死去的組織，而無法用在活體的觀察。
目前有許多正在進(jìn)行中的研究正嘗試著提高活體螢光影像的觀察深度。這包括從天文物理學(xué)借來的「適應(yīng)性光學(xué)（adaptive optics）」技術(shù)。天文學(xué)家在使用地表望遠(yuǎn)鏡觀察遠(yuǎn)處的星體時，也同樣面臨了光線通過大氣層散射造影像模糊的問題。適應(yīng)性光學(xué)于是利用可任意變形的鏡子，補(bǔ)償不同路徑光線的相位，重新達(dá)成聚焦。透過這樣的方式，神經(jīng)工程學(xué)家希望能透視到更深的腦區(qū)。 除此之外，還有透過三光子激發(fā)、光聲造影等方式來提高影像深度。但這些方法都需要同時發(fā)展能配合的分子探針?；蛟S不久的將來，活體光學(xué)影像的觀察深度又將有巨大的突破。不論這些技術(shù)最終如何發(fā)展，可以確定的是，在物理、生物、工程、分子、認(rèn)知等領(lǐng)域的通力合作之下，腦科學(xué)的研究與發(fā)現(xiàn)將不斷帶給我們更多驚奇與贊嘆。 來源：泛科學(xué) |
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