淺談2014年諾貝爾生理及醫學獎

作者/許英昌(任職英騰生物科技股份有限公司、中正大學生命科學系兼任助理教授)

今年諾貝爾生理及醫學獎頒給英國倫敦大學歐基夫(John O'Keefe)及挪威特羅漢科技大學梅.莫瑟(May-Britt Moser)與艾德瓦.莫瑟(Edvard I. Moser)夫婦,肯定他們發現構成大腦內定位系統的細胞,進而打開研究大腦及治療腦部疾病的新領域。

梅.莫瑟(May-Britt Moser)與艾德瓦.莫瑟(Edvard I. Moser)夫婦

歐基契夫(John O'Keefe)

2005年前,德國哲學家康德(Immanuel Kant)從抽象思考領域切入,認為部份人類心智能力如先前智慧,腦內存在一組內定系統,和經驗無關,包括對空間的概念。1971年,科學家已知海馬體和記憶有關,而歐基夫首先發現構成腦內定位系統的第一要件「位置細胞」。他在老鼠顱外裝一電極感應,當老鼠在空間某位置時,電極感應器偵測到大腦海馬體內一種神經細胞會被激化,而當老鼠移動到其他位置時,其他細胞也被活化,歐基夫認為這些「位置細胞」和腦內形成空間地圖有關。30年後,2005年莫瑟夫婦接著發現另外一種重要細胞稱「格狀細胞」,能產生座標系統,允許準確定位及探路。他們的研究成果,證明位置及格狀細胞,是如何決定動物所在位置並引導,也解開數世紀來,哲學家及科學家亟欲了解,大腦如何認知周遭空間環境,並在複雜環境中定位並探尋。

1960年代,歐基夫對於大腦如何控制動物行為相當著迷,他從研究神經生理的方法著手,記錄老鼠在空間移動時,大腦海馬體內細胞活躍情形。他發現當老鼠在某特定位置時,某特定細胞會被激化,並證明這「位置細胞」不僅記錄輸入視覺訊息,且能在腦內建立一張內部地圖。歐基夫對此實驗下了結論:海馬體內的位置細胞,在不同環境下被激化,能產生無數地圖,大腦藉由活化海馬體內「位置細胞」,記憶周遭環境。

1983年,莫瑟夫婦在奧斯陸大學時,即對神經科學充滿興趣,並求教海馬體專家安德森(Per Anderson)教授。兩位亟欲了解激化海馬體細胞和動物行為間的關係,安德森對此研究計劃內容感到遲疑,但仍拗不過兩位,最後定研究主題為「最多可切除海馬體上多少組織,而不影響老鼠對新環境空間的記憶」。莫瑟證明海馬體其中一邊對空間記憶能力更甚於另一邊。

1996年,莫瑟到歐基夫的實驗室從事博士後研究,歐基夫自1971年發現「位置細胞」後聲名大噪,其他和導航相關的神經元細胞陸續也被發現。兩位接著到特洛漢大學成立自己的實驗室,有幾點重要貢獻:第一、改善研究「位置細胞」的實驗技術,將電極直接置入老鼠海馬體上,該老鼠在指定空間內自由移動,能記錄單一神經元的訊息,並輸入電腦,記錄當神經元被激化時老鼠所在位置。第二、利用化學方式,破壞部份海馬體或其周邊組織,測試「位置細胞」是否能繼續激化,結果意外發現訊息乃從「內嗅皮層」傳到「位置細胞」,科學界從未發現此結構,且該部位血管多難以接近,莫瑟改變偵側方式並記錄內嗅皮層上的單一神經元。第三、他們發現老鼠通過某一位置時,「內嗅皮層」上的「格狀細胞」如同海馬體上的「位置細胞」會被活化,但也發現老鼠通過附近其他點時,同樣細胞也被激化,在電腦上形成一小迷團。科學家感到相當困惑;當換成較大空間以增加解析度時,實驗結果更超出他們想像。當排除其他因素後,竟然發現如蜂巢般的圖型出現,只要老鼠通過特定區域,神經細胞即被激化,此結果發表於Nature期刊上。還證明內嗅皮層上不一樣的細胞,依照和箱子邊緣距離產生不同的座標格式,大腦神經元能利用簡單幾何模式,配合內嗅皮層細胞,計算出頭顱所朝方向及箱緣距離,並和「位置細胞」連結形成腦內定位系統,因此可以了解外界錯綜複雜環境的位置。

科學家也證明人類腦內也存在位置及格狀細胞。早期的阿茲海默氏症患者,因腦部的海馬體及內嗅皮層首先損壞,使患者對環境認知的能力受損,因此科學家對大腦定位系統的了解,有助於了解患者失去空間概念的原因。今年諾貝爾生理及醫學獎,打開大腦研究新領域,也重新喚起大眾對神經科學的重視。如何開發新技術、結合數位資訊,以分析其大腦內乾坤,將是未來發展的重要方向。

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