「脑」启动计画初介 作者／严震东（任教台湾大学生命科学系） 「脑」启动计画，全名Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，是2013年4月2日美国总统欧巴马在白宫演讲厅内，宣示美国将结合 政府与民间力量推动的大型计画，也是美国继1990年推动人类基因体计画（Human Genome Project）後的再一个重量级计画。在一年的筹划後，今年六月美国国家卫生研究 院公布了实际推动的白皮书，将自2016年起至2025年，以十年45亿美元的规模来进行新一 代脑科学研究技术的发展。白皮书中纲举目张、升火待发，值得全球科学界，甚至一般大 众注意、了解。 脑科学研究领域的成型，可追溯自1970年代，神经科学以一个崭新的整合形式，从生理学 、解剖学、药理学中抽出，再结合行为学、心理学、临床医学中相关的部分，奠定了脑科 学的基础。历经三、四十年来的蓬勃发展，脑科学早已是欧洲、美国、日本、中国等科技 强国重视的重要研发领域。为什麽在这个时间点又提高了一个层次，让美国在景气低迷的 状况下，还愿意倾全国之力来推动呢？脑启动计画的核心目标是在行为当中记录脑中每一 个细胞的相关活性变化，这样野心勃勃的构想在无脊椎的模式动物脑中都还无法达成，如 何会成为一个十年国家计画的目标呢？我们可以先从神经科学领域的几项重大方法进展作 一点背景介绍，这些新方法包括多频道电生理纪录、多光子显微技术以及光遗传学方法。 多频道电生理纪录方法 神经细胞使用电讯号及化学讯号来处理及传达讯息。其中动作电位（action potential） 是细胞内长距离传达讯息，细胞与细胞间彼此沟通时最重要的电讯号。在上世纪90年代因 为电脑及半导体工业的快速进展，在微电极制作、多频道记录器、数位化方法的爆发性突 破下，科学家已能在实验动物脑中使用数十、甚至数百个记录微电极，同时侦测上千个神 经细胞的动作电位。这项技术1999年纽约大学查宾教授（John Chapin）用於老鼠视丘， 老鼠可以用牠自己数十个脑细胞的活性，来指挥饮水器提供牠饮水。2008年匹兹堡大学研 究团队，同时记录猴子运动大脑皮层中数百个神经细胞活性，证明猴子可以利用自己的运 动大脑皮层活性来指挥一套3D机械手臂，随「心」所欲的取食棉花糖，这项技术也已取得 初步临床的结果。最近在2014年巴西世界盃足球大赛开幕典礼中，一个四肢瘫痪的病人利 用植入他脑中的多频道电极纪录神经细胞活性，配合像《钢铁人》电影中的外骨骼机器支 持，顺利的踢出了全场的第一个球。 多光子显微技术 电光石火，光和电共同优点就是非常的快。在上世纪中已有一些科学家想利用萤光的方法 来观察膜电位的变化，但是一直都无法找到够亮、对电位差敏感的萤光物质。倒是有机化 学及海洋生物学家下村修（Osamu Shimomura），在1960年代找到一种对钙离子敏感的萤 光蛋白质——水母素（aequorin）。科学家成功的利用水母素，测量到肌肉细胞及巨大神 经突触电化学藕合（electrochemical coupling）时，细胞内的钙离子变化。随着新一代 的钙离子侦测分子（calcium sensor）的发明，我们已经可以更快速的侦测到细胞内钙离 子浓度的微小变化，但是如何在一个活着的、操作着的脑里，看到一个个神经细胞内的钙 离子变化呢？ 双光子显微镜技术（two-photon microscopy）利用红外光雷射聚焦在组织深处，两个红 外线光子的能量加在一起，激发组织内萤光物质产生萤光。在1990年代由康乃尔大学物理 学家登克（Winfried Denk）首先应用在小脑和海马回脑薄片，看到活着的细胞中钙离子 浓度随着动作电位及突触电位操作时的变化。因为多个光子也会交互作用，因而此方法又 可以广泛的称为多光子显微技术。在21世纪最早期一些实验室开始在大鼠或小鼠头骨上开 个小窗，将钙离子侦测分子先注入大脑皮层中，再以双光子显微技术观察皮层细胞钙离子 活性在感觉或运动时的变化。例如2005年哈佛大学神经生物系的研究者，同时侦测一块 200~300微米直径范围中，三千多个视觉大脑皮层细胞活性的变化，证实大鼠初级视觉大 脑皮层中的神经细胞，如同灵长类对光柱的方向敏感，但是各种方向敏感的神经细胞是混 杂在一起的，不同於人类初级视觉大脑皮层内对各个方向光栅敏感的方向皮质柱（ cortical orientation column）是规则排列的。这类的研究显示我们可以使用光记录方 法直接观察特定脑区中大量、高密度神经细胞的操作。 下村修在同一种水母中另外分离出一种绿萤光蛋白分子（green fluorescent protein, GFP）。利用基因转殖及分子遗传技术，加州大学钱永健（RY Tsien）等研究者，将GFP 改良成数十种不同颜色的萤光蛋白，并转殖到生物的基因体内，萤光猪、萤光鱼都是着名 的例子。GFP 如何用在脑科学研究呢？前段所述的实验需要在脑内注入萤光侦测分子，但 是第二代的光学实验是将萤光蛋白基因转殖进入脑中特定区域，此时只要将动物头骨一部 分磨成半透明，能让红外光透过，即可直接以多光子显微技术观察行为中动物脑内一颗颗 神经细胞的细微结构。 上述方法能看见神经细胞甚至突触的细节，但是如何看见正在活跃的神经细胞动作电位或 是其他的神经活性呢？更新一代的光学方法，是将侦测钙离子或膜电位的萤光蛋白基因转 殖进入特定脑区，然後以多光子显微技术观察行为中或测验中神经细胞的活性变化。 光遗传学方法 2010年光遗传学（optogenetics）被Nature Methods期刊选为当年的「Method of the Year」。光遗传学使用光来操弄神经活性，这些特定神经细胞需先经过遗传工程的改造， 将其基因体内插入了对光敏感的离子通道基因。 在我们眼睛视网膜里有柱状细胞和锥状细胞两种感光细胞，这些感光细胞的细胞膜上嵌插 了对可见光光子敏感的视紫蛋白。视紫蛋白本身并不是离子通道，因此高等生物的光敏感 蛋白分子在光线照射後并不会直接引起膜电位的变化。但一些单细胞生物如双鞭藻或是细 菌，就拥有直接对光线敏感的离子通道蛋白分子。这些特殊的分子在这些简单的生物执行 特定的功能，例如双鞭藻的眼点中有膜通道视紫质（Channelrhodopsin, ChR）， 当蓝色 光线照射时会使得这个蛋白质分子的离子通道打开，让钠离子等阳离子通过，改变鞭毛的 摆动方向，造成向光性。光遗传学将ChR 蛋白的基因转殖进入神经细胞基因体内，这些基 因改造过的神经细胞会制造出ChR 蛋白并将之嵌入细胞膜中，因此只要用蓝光照射，这些 细胞就会去极化，产生 动作电位。利用不同种类的光敏感离子通道基因转殖，我们可以制造出被不同颜色的光线 兴奋或抑制的神经细胞。 如何应用光遗传学技术呢？举个例子来说，麻省理工学院的利根川进（Susumu Tonegawa ） 实验室在2012、2013年分别各发表一篇论文，证明以光遗传法操弄小鼠海马中的齿状 回能够重新召唤恐惧情境的记忆，甚至可以制造出假的记忆。他们将ChR基因和黄色萤光 蛋白YFP基因连在一起，用滤过性病毒包装，直接注射到小鼠的齿状回。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两个条件的控制，也就是小鼠脑中会 产生时间控制（食物中加入抗生素的那几天）、脑区控制（有病毒注入的齿状回），以及 特定恐惧作业控制（cFos活化的细胞）的ChR-YFP 蛋白表现。刘旭、利根川进等研究者发 现这样处理後的老鼠，只要再以蓝光直接照射齿状回就可以引发它们恐惧行为的表现。甚 至可以在不同的行为箱里配合齿状回的蓝光照射，让小鼠对无害的环境也开始害怕。齿状 回在条件反射学习时活化的这些神经细胞的变化，会不会就是长久以来科学家追寻的记忆 烙痕（engram）呢？光遗传学方法对解决许多脑功能定位（localization of brain function）问题的因果关系上将有极大的助益。 由以上的介绍可以体会到脑科学界新技术的突飞猛进。加上近二、三十年来在人脑功能研 究上已有惊人成就的磁造影（MRI）、穿颅刺激（TMS）、脑电图（EEG）、脑磁图（MEG） 、正子造影（PET）等等方法，美国神经科学界感测到了此一领域巨变前夕的风声，因此 集合众人的力量，说服了政府，推出了此一十年计划。 延伸阅读 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. 张贴者： 科学月刊／科技报导 标签： 201407-391期, 科学文摘 http://scitechreports.blogspot.be/2014/07/blog-post_29.html --

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