2016年7月4日

腦內的三維立體顯微世界

林志勇/清華大學生物技術研究所博士,主要研究果蠅的腦神經圖譜,目前擔任孫金生物科技商行總經理;專長為生物組織影像技術;至2015年,發表國際期刊或書刊共9篇。

大腦是人體內最精細的器官,是由千億個神經元、比神經元更多的神經膠質細胞(glia cell)和廣泛分佈的血管共同形成的三維結構體。神經元則是目前公認為構成腦的基本功能體。每個單獨神經元可能會與其他神經元透過上千個突觸(synapse)與縫隙連接體(gap junction)等結構連結以進行訊息處理。透過如此龐大數量的神經元連接形成的巨大神經網路,人腦可以產生情緒、認知與下達行為命令,並負責個體的思考、學習與記憶等功能。

可惜時至今日,我們對大腦運作的方式知道甚少。原因之一,便是缺乏完整的大腦連結圖譜。如同城市地圖可以幫助旅者規劃旅遊,全腦圖譜可做為未來進行大腦功能性研究的藍圖,以了解大腦是如何運作和下達命令,最後產生各式生物行為。值得一提的是,隨著2 年前「美國大腦活動圖譜計畫(Brain Activity Map Project)」以及「歐盟人類大腦計畫(Human Brain Project)」等大型計畫的啟動,以及近年來許多革命性創新基因工程與影像技術的迅速發展,揭開神秘的大腦組成及功能的重頭戲已然拉開序幕。


開創全腦神經圖譜時代
現代神經科學之父卡哈爾(Santiago Ramón y Cajal),在距今一百多年前使用高基氏體染色(Golgistain)技術,精細描繪出各種不同神經元的樣貌(圖一),奠定未來大腦微觀結構研究發展的基礎。但是人腦中數百兆個連接點形成的神經網絡太過龐大,當代科學家遂把目標轉移到大腦系統相對比較簡單且神經元結構相似的模式生物上,例如:使用電子顯微鏡或螢光光學影像系統等技術描繪果蠅與老鼠的全腦圖譜。由於神經元軸索(neurite)或突觸的大小皆屬於奈米等級,所以使用連續切片配合電子顯微鏡掃描再與3D影像技術整合的技術,可以建立最精細的網路圖譜(立體動畫:http://youtu.be/-wq2WTRmeW4),但缺點是3D重建過程中所需要之影像對位不易進行,並且會在影像擷取過程時造成樣品破壞,所以無法對樣品進行重複觀察。

另一選擇則是使用螢光光學系統,一次完整擷取神經網路影像,避免因切片導致神經元的破壞,然而組織的非透明特性導致樣品觀察深度只能達約一百微米,成為此系統的主要應用限制之一。隨著近幾年各種水溶性組織透視液(optical clearing reagent)的發明,這個問題已經逐漸被克服,例如:Scale(2011年由日本理化學研究所研究員濱裕等人所開發)與RapiClear(由孫金生物科技公司所開發),這些試劑在將樣本透明化的同時又可保留完整的生物結構,配合共軛焦顯微鏡(confocal microscopy)與抗體螢光的標定,腦內神經網路觀察深度可到達數個毫米。與3D影像重建技術整合,可以完整呈現腦內神經圖譜的分布(立體動畫:http://youtu.be/RFeGg09CX_g)。......【更詳細的內容請見科學月刊第559期】

圖一:卡哈爾手繪神經元圖譜。(Wikipedia)

沒有留言: