2016年7月4日

神經科學新技術─ 如何解開大腦的神祕訊息?

陳摘文/於臺大與德國歌廷根大學取得電機學士與神經科學博士學位,畢業後到美國珍利亞研究所進行博士後研究,現任職於陽明大學神經科學研究所。

每天當你睜開雙眼,流暢的高畫質影音便自動傳入你的大腦,毫不費力地,大腦對這巨量的訊息進行即時分析,辨識出影像中的每張面孔,跟記憶中上百張臉比對。依據過去的經驗,你做出了決定。你的念頭在一瞬之間抵達了位於左腦的語言皮質,在那裡合成出你的反應──「親愛的,早安。」這一切都發生在幾個毫秒之間,你的大腦是怎麼辦到的?

竊聽神經元訊號
人類的大腦由上千億顆神經細胞組成,每顆神經元的型態不盡相同,可是他們都透過調變細胞膜內外的電位差來傳遞訊號。一個多世紀以前,科學家就已經知道神經細胞的訊號,是以全有(1)或全無(0)的數位方式傳遞,猶如電腦的運作方式。神經細胞的1,是大小約0.1伏特,持續約0.001 秒的膜電位脈衝,科學家們稱之為「動作電位(action potential)」。一般認為,大腦神經元所有的溝通跟運算,都是透過動作電位來執行。

這也難怪,一百多年來,科學家絞盡腦汁想要記錄神經元的電訊號,就如同特務在電話交換機夾上竊聽器一般,科學家在大腦中插入電極來竊聽神經元的秘密。可是,神經細胞的訊號非常微小,想要竊聽到單一細胞的訊號,電極必須要放在細胞旁邊,甚至要插到細胞裡面才行。然而,大腦像是個超高密度的積體電路,每立方公釐的組織裡擠著數萬個神經元。不夠微小的電極,或是實驗中最細微的震動,都是精密的神經網路最致命的殺手。

這些困難都難不倒鍥而不捨的神經科學家。隨著科技的發展,如頭髮一般細的微電極,超靈敏、低雜訊的放大器,以及穩定的機器手臂陸續發明。這讓科學家能將電極準確插入腦中,並在麻醉或甚至是清醒的大腦裡分離出單一神經元訊號,讓我們一窺大腦運作的秘密。到目前為止至少有十多位諾貝爾獎得主的研究(包括2014年生醫獎的3位獲獎者),都與神經電訊號的紀錄與分析有關。

然而,即使在科技進步的今天,用微電極記錄腦中的每一個神經細胞,仍然是遙不可及的夢想。因為這代表著要在腦中插入無數的電極,並精準放置在每個細胞旁邊。以目前最先進的電極陣列,在一立方公釐大小的空間裡最多能記錄到約十多顆神經元,只占總細胞數的千分之一。試想,如果一本書只能隨機讀取千分之一的文字,是要如何瞭解書中的內容呢?這是一直以來困擾科學家的問題──到底要如何大規模記錄每個神經元所傳遞的訊號呢?

分子探針潛入細胞
如果有一種超小型探測器,小到能輕易的放到細胞裡,量測細胞的訊號並且用無線的方式傳送出來,這樣我們是否有機會大量竊取神經細胞的密碼呢?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。他的實驗室開發出一系列超小型的無線生理訊號探針。令人驚訝無比的是,這些探針竟然比細胞小了1000 倍以上,而且可以由細胞自行合成,稱之為分子探針(molecular probe)。

生物學家很早以前就知道,細胞其實是複雜無比的微型工廠,無時無刻根據儲存在DNA序列中的基因藍圖,製造出細胞生存所需的超小型零件──蛋白質。根據不同DNA 序列可製造不同的蛋白質,有的幫助細胞運送貨物,有的負責偵測細胞內的生理反應,有的協助細胞產生電訊號。海洋生物學家下村脩(Osamu Shimomura)發現,海中水母的細胞竟然會製造可發出螢光的蛋白質。換句話說,早在千萬年前,演化的愛迪生就已經發明了超小型的分子燈泡,在黑暗中照亮著大海。......【更詳細的內容請見科學月刊第559期】

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