生命科學

把大腦變透明

一種結合化學與生物學的新實驗技術,讓 神經科學家可以深入觀看身體的主宰者:大腦。

撰文/戴塞羅斯(Karl Deisseroth)
翻譯/謝伯讓
2016-11

生命科學

把大腦變透明

一種結合化學與生物學的新實驗技術,讓 神經科學家可以深入觀看身體的主宰者:大腦。

撰文/戴塞羅斯(Karl Deisseroth)
翻譯/謝伯讓
2016-11


我們的神經系統宛如一幅琳瑯滿目的掛毯,由相互聯結的絲線編織而成。這些絲線稱為軸突,就是由神經元延伸出來的細長纖維,它們傳送神經元之間的電生理訊號。長距離的軸突像是織布中的「經紗」,與其交織在一起的「緯線」則是大腦中獨特的編織形式,也就是來回穿梭傳訊以利運算的短距離軸突。


想了解大腦內部的運作方式,科學家必須從基本單一要素的層次來解碼這幅神經掛毯的組織形態,例如一條軸突;但若想了解軸突所扮演的角色,我們需要從綜觀全腦的角度來檢視,才不會忽略了絲線般的軸突與周圍脈絡間的關係。為了獲得這種綜觀視野,我們需要研發特別的觀測技術,因為大腦並不是平面的織布,也不是透明的;神經元細胞膜中的脂質分子,會讓造影儀器發射出的光線散射,使我們只能看見最表層的神經元,而無法觀視大腦深處結構。


現在有一種新技術開啟了神經科學家的視野,讓我們得以看見大腦內部的完整結構,不但能追蹤大腦內部精細網路的神經纖維,還可檢驗每條神經纖維中的分子特性。這種技術應用水膠的化學特性:水膠是一種會形成立體網狀結構的聚合物,其中相連的隔間能留住水分子且不會溶解,因此可用來建構生物組織內部的立體聚合內骨骼(polymer endoskeleton)結構。


在一套包含三項步驟的程序中,首先會把透明的水膠注入實驗動物或人類大體的大腦標本內,以黏合並保護腦中負責傳遞訊息的關鍵分子的結構,包括蛋白質與核酸(DNA和RNA);接下來,移除不相關的組織例如脂質,最後再加入許多螢光標記與其他標記物,神經纖維和各種分子就會發光,讓我們能夠用非常高的解析度直接觀察大腦內部的完整結構。


這種新技術能深入觀察主宰身體的大腦,讓我們獲得許多洞見。科學家正應用這項技術,試圖找出神經線路的物理結構及其所負責的行為功能之間的關聯,目前研究的神經線路包含了行動與認知功能,例如動作控制與記憶。這項技術也能幫助神經科學家釐清與帕金森氏症、阿茲海默症、多發性硬化症、自閉症、藥物濫用以及恐懼與焦慮症候群有關的神經線路。我們甚至協助促成了一間新公司的成立,專門探索組織水膠在癌症診斷上的應用價值,這套技術現在已可運用在大腦以外的身體器官與組織上。


組織透明化技術

讓大腦變透明極其困難,即使是數十億年的演化對生物的塑造力,也沒有辦法在大型動物身上做到。想當然,透明可以提供物種巨大的生存優勢,有些物種也已演化出某種程度的透明度來適應環境(例如躲避掠食),某些魚類甚至缺少紅血球,也就是不像大多數脊椎動物那樣擁有血液,以此讓自己在環境中能稍微隱形。然而,即使這些生物面臨強大的演化壓力,牠們似乎也無法讓自己的中樞神經系統變成透明。在半透明的魚或蝦身上,神經系統仍然有某些部份不透明,演化最多只能放棄紅血球,似乎無法讓光線自由穿透活生生的大腦。


這種不透明的特質,來自於光線在神經組織中的散射。光子在脂質和水的交界處會反彈(因為光在兩種介質中的行進速率不同),這個現象無法輕易透過工程或自然演化的方式去除。組成細胞膜和腦內部結構的脂質障壁,也扮演絕緣的角色,讓負責傳遞電脈衝的離子能夠更快速在精密交錯的軸突間移動。諷刺的是,生物學家最需要維持其完整性以探索運作機制的器官,正好也是最難透明化的器官。


2009年,我開始著手研究這項未決的艱難挑戰,試圖把一顆完整的成年哺乳類大腦變透明、並且能仔細標記各種分子。當時全世界數百間實驗室都已經在應用一項由我與同事於2004~2009年發展出來的一項技術:光學遺傳學(optogenetics)技術。這項技術利用光來啟動或關閉特定神經網路,它結合了雷射、光纖以及一些與感光蛋白質有關的基因(來自藻類與細菌的微生物視蛋白),並可在動物奔跑、跳躍、游泳、社交以及進行複雜行為時,精確操控大腦中特定神經元的活動。


2009年夏天,也就是我們於2004年7月首度在神經元中進行微生物視蛋白實驗的五年之後,光學遺傳學技術面臨的關鍵挑戰大部份都已經解決了,因此受到學術界相關實驗室廣泛的應用。然而,在應用上雖然已經發現了成千上萬種行為背後的神經機制,卻無法提供一種特定的資訊:一幅可以幫助我們洞悉單一細胞利用光控制後、如何在整顆大腦中穿梭旅行的高解析度圖像。


從單一基本部件去釐清一個系統的整體樣貌,一直是許多研究領域的共同夢想,但是這個目標常會因為許多困難被犧牲。把單一部件從複雜系統中切割出來進行分離研究,一直是科學中很重要的一環,因為這可以讓我們找出其中哪些要素是內在固有、不必依賴其他要素就可以運作的。但是對於內部高度連結的系統,例如大腦,想要把系統切割出來分離研究,就好比把一幅掛毯上的紗線全部拆開,這種做法並不是觀察與探討神經線路整體樣貌的最佳方式。


由於成年哺乳類大腦並不透明,為了看見並標記大腦內部構造,我們必須先解剖大腦,大腦的立體結構也因此被分割成數百或數千片近乎二維的解剖學切片。這個過程需耗費大量的時間與經費,特別是當我們需要用上許多顆大腦來進行統計推論的研究(研究哺乳類的行為常需如此)。此外,關鍵資訊的消失常是無法逆轉的,由於我們已經能夠透過光學遺傳學重新建構出完整大腦裡的許多功能,因此2009年我開始思索用什麼方式處理大腦標本以解決這個問題。