「腦」啟動計畫初介

作者/嚴震東(任教臺灣大學生命科學系)

「腦」啟動計畫,全名Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies,是2013年4月2日美國總統歐巴馬在白宮演講廳內,宣示美國將結合政府與民間力量推動的大型計畫,也是美國繼1990年推動人類基因體計畫(Human Genome Project)後的再一個重量級計畫。在一年的籌劃後,今年六月美國國家衛生研究院公布了實際推動的白皮書,將自2016年起至2025年,以十年45億美元的規模來進行新一代腦科學研究技術的發展。白皮書中綱舉目張、升火待發,值得全球科學界,甚至一般大眾注意、了解。


腦科學研究領域的成型,可追溯自1970年代,神經科學以一個嶄新的整合形式,從生理學、解剖學、藥理學中抽出,再結合行為學、心理學、臨床醫學中相關的部分,奠定了腦科學的基礎。歷經三、四十年來的蓬勃發展,腦科學早已是歐洲、美國、日本、中國等科技強國重視的重要研發領域。為什麼在這個時間點又提高了一個層次,讓美國在景氣低迷的狀況下,還願意傾全國之力來推動呢?腦啟動計畫的核心目標是在行為當中記錄腦中每一個細胞的相關活性變化,這樣野心勃勃的構想在無脊椎的模式動物腦中都還無法達成,如何會成為一個十年國家計畫的目標呢?我們可以先從神經科學領域的幾項重大方法進展作一點背景介紹,這些新方法包括多頻道電生理紀錄、多光子顯微技術以及光遺傳學方法。

多頻道電生理紀錄方法

神經細胞使用電訊號及化學訊號來處理及傳達訊息。其中動作電位(action potential)是細胞內長距離傳達訊息,細胞與細胞間彼此溝通時最重要的電訊號。在上世紀90年代因為電腦及半導體工業的快速進展,在微電極製作、多頻道記錄器、數位化方法的爆發性突破下,科學家已能在實驗動物腦中使用數十、甚至數百個記錄微電極,同時偵測上千個神經細胞的動作電位。這項技術1999年紐約大學查賓教授(John Chapin)用於老鼠視丘,老鼠可以用牠自己數十個腦細胞的活性,來指揮飲水器提供牠飲水。2008年匹茲堡大學研究團隊,同時記錄猴子運動大腦皮層中數百個神經細胞活性,證明猴子可以利用自己的運動大腦皮層活性來指揮一套3D機械手臂,隨「心」所欲的取食棉花糖,這項技術也已取得初步臨床的結果。最近在2014年巴西世界盃足球大賽開幕典禮中,一個四肢癱瘓的病人利用植入他腦中的多頻道電極紀錄神經細胞活性,配合像《鋼鐵人》電影中的外骨骼機器支持,順利的踢出了全場的第一個球。

多光子顯微技術

電光石火,光和電共同優點就是非常的快。在上世紀中已有一些科學家想利用螢光的方法來觀察膜電位的變化,但是一直都無法找到夠亮、對電位差敏感的螢光物質。倒是有機化學及海洋生物學家下村脩(Osamu Shimomura),在1960年代找到一種對鈣離子敏感的螢光蛋白質——水母素(aequorin)。科學家成功的利用水母素,測量到肌肉細胞及巨大神經突觸電化學藕合(electrochemical coupling)時,細胞內的鈣離子變化。隨著新一代的鈣離子偵測分子(calcium sensor)的發明,我們已經可以更快速的偵測到細胞內鈣離子濃度的微小變化,但是如何在一個活著的、操作著的腦裡,看到一個個神經細胞內的鈣離子變化呢?

雙光子顯微鏡技術(two-photon microscopy)利用紅外光雷射聚焦在組織深處,兩個紅外線光子的能量加在一起,激發組織內螢光物質產生螢光。在1990年代由康乃爾大學物理學家登克(Winfried Denk)首先應用在小腦和海馬迴腦薄片,看到活著的細胞中鈣離子濃度隨著動作電位及突觸電位操作時的變化。因為多個光子也會交互作用,因而此方法又可以廣泛的稱為多光子顯微技術。在21世紀最早期一些實驗室開始在大鼠或小鼠頭骨上開個小窗,將鈣離子偵測分子先注入大腦皮層中,再以雙光子顯微技術觀察皮層細胞鈣離子活性在感覺或運動時的變化。例如2005年哈佛大學神經生物系的研究者,同時偵測一塊200~300微米直徑範圍中,三千多個視覺大腦皮層細胞活性的變化,證實大鼠初級視覺大腦皮層中的神經細胞,如同靈長類對光柱的方向敏感,但是各種方向敏感的神經細胞是混雜在一起的,不同於人類初級視覺大腦皮層內對各個方向光柵敏感的方向皮質柱(cortical orientation column)是規則排列的。這類的研究顯示我們可以使用光記錄方法直接觀察特定腦區中大量、高密度神經細胞的操作。

下村脩在同一種水母中另外分離出一種綠螢光蛋白分子(green fluorescent protein, GFP)。利用基因轉殖及分子遺傳技術,加州大學錢永健(RY Tsien)等研究者,將GFP 改良成數十種不同顏色的螢光蛋白,並轉殖到生物的基因體內,螢光豬、螢光魚都是著名的例子。GFP 如何用在腦科學研究呢?前段所述的實驗需要在腦內注入螢光偵測分子,但是第二代的光學實驗是將螢光蛋白基因轉殖進入腦中特定區域,此時只要將動物頭骨一部分磨成半透明,能讓紅外光透過,即可直接以多光子顯微技術觀察行為中動物腦內一顆顆神經細胞的細微結構。

上述方法能看見神經細胞甚至突觸的細節,但是如何看見正在活躍的神經細胞動作電位或是其他的神經活性呢?更新一代的光學方法,是將偵測鈣離子或膜電位的螢光蛋白基因轉殖進入特定腦區,然後以多光子顯微技術觀察行為中或測驗中神經細胞的活性變化。

光遺傳學方法

2010年光遺傳學(optogenetics)被Nature Methods期刊選為當年的「Method of the Year」。光遺傳學使用光來操弄神經活性,這些特定神經細胞需先經過遺傳工程的改造,將其基因體內插入了對光敏感的離子通道基因。

在我們眼睛視網膜裡有柱狀細胞和錐狀細胞兩種感光細胞,這些感光細胞的細胞膜上嵌插了對可見光光子敏感的視紫蛋白。視紫蛋白本身並不是離子通道,因此高等生物的光敏感蛋白分子在光線照射後並不會直接引起膜電位的變化。但一些單細胞生物如雙鞭藻或是細菌,就擁有直接對光線敏感的離子通道蛋白分子。這些特殊的分子在這些簡單的生物執行特定的功能,例如雙鞭藻的眼點中有膜通道視紫質(Channelrhodopsin, ChR), 當藍色光線照射時會使得這個蛋白質分子的離子通道打開,讓鈉離子等陽離子通過,改變鞭毛的擺動方向,造成向光性。光遺傳學將ChR 蛋白的基因轉殖進入神經細胞基因體內,這些基因改造過的神經細胞會製造出ChR 蛋白並將之嵌入細胞膜中,因此只要用藍光照射,這些細胞就會去極化,產生
動作電位。利用不同種類的光敏感離子通道基因轉殖,我們可以製造出被不同顏色的光線興奮或抑制的神經細胞。

如何應用光遺傳學技術呢?舉個例子來說,麻省理工學院的利根川進(Susumu Tonegawa) 實驗室在2012、2013年分別各發表一篇論文,證明以光遺傳法操弄小鼠海馬中的齒狀迴能夠重新召喚恐懼情境的記憶,甚至可以製造出假的記憶。他們將ChR基因和黃色螢光蛋白YFP基因連在一起,用濾過性病毒包裝,直接注射到小鼠的齒狀迴。其ChR-YFP基因的操弄上,再加上了抗生素以及早期功能活化蛋白cFos兩個條件的控制,也就是小鼠腦中會產生時間控制(食物中加入抗生素的那幾天)、腦區控制(有病毒注入的齒狀迴),以及特定恐懼作業控制(cFos活化的細胞)的ChR-YFP 蛋白表現。劉旭、利根川進等研究者發現這樣處理後的老鼠,只要再以藍光直接照射齒狀迴就可以引發它們恐懼行為的表現。甚至可以在不同的行為箱裡配合齒狀迴的藍光照射,讓小鼠對無害的環境也開始害怕。齒狀迴在條件反射學習時活化的這些神經細胞的變化,會不會就是長久以來科學家追尋的記憶烙痕(engram)呢?光遺傳學方法對解決許多腦功能定位(localization of brain function)問題的因果關係上將有極大的助益。

由以上的介紹可以體會到腦科學界新技術的突飛猛進。加上近二、三十年來在人腦功能研究上已有驚人成就的磁造影(MRI)、穿顱刺激(TMS)、腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、正子造影(PET)等等方法,美國神經科學界感測到了此一領域巨變前夕的風聲,因此集合眾人的力量,說服了政府,推出了此一十年計劃。


延伸閱讀
1. BRAIN 2025, A Scientific Vision. National Institute of Health, USA, 2014.
2. Ramirez S. et al., Creating a false memory in the hippocampus, Science, Vol. 341:391, 2013.
3. Velliste M. et al., Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding, Nature, Vol. 453:1098, 2008.
4. Ohki K. et al., Functional imaging with cellular resolution reveals precise micro-architecture in visual cortex, Nature, Vol. 433:597, 2005.

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