科普知識增值-系統神經科學的觀點─腦袋裡到底裝些什麼東西?

培養專業領域知識 增值考生英文寫作力       科學月刊 569期

林士傑/臺大醫學系畢,美國杜克大學神經生物學博士,現任美國國家衛生研究院研究員。

大腦是個很奇妙的東西。人與所有動物的一舉一動幾乎都跟大腦和神經系統脫不了關係,無論是任一種感官(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺)、動作、思緒(注意力、學習、記憶、判斷)、情緒,乃至於每一個判斷與決定,都和大腦息息相關。就算試著休息放空腦袋,大腦還是控制了呼吸、心跳、睡眠,乃至於所有基本的生理需求(餓、渴、性)。一旦大腦的運作偏離了常軌,各式各樣的問題隨之而生:像是思覺失調、憂鬱、焦慮、注意力失調與過動、失智、帕金森氏症、癲癇、藥物成癮等。大腦裡面到底裝了些什麼東西,讓它可以負責這麼多的行為與認知功能?這是系統神經科學(systems neuroscience)所要回答的根本問題。

腦啟動計畫-把大腦當成一部電腦
近幾年來,世界各國都投入大量的資源以進行系統神經科學研究,美國的腦啟動計畫(Brain Initiative)是其中最大規模的計畫。由於大腦是由一個個神經元(神經細胞)所組成,而神經元透過電訊號彼此傳遞訊息,腦啟動計畫背後根本的想法便是將大腦當成一部電腦來理解,把大腦看成是一個處理訊息的複雜電路:當外界的資訊接觸到我們的身體,感官系統開始處理這些訊息, 各種認知功能加入運作,依照身體內在的狀態與需求, 做出適切的反應與決定。在這複雜的大腦電路裡,每一種行為與認知功能,都有其相對應的特殊神經迴路。

在這個脈絡下,研究大腦的首要工作是得了解電路基本元件的特性跟電路設計圖。腦啟動計畫即是由此展開, 確立幾個重要的研究目標:(1)辨識不同種類的神經元, 這好比釐清電路裡各種基本元件;(2)建立腦中神經網路的連結圖譜,像是建構大腦裡面複雜的電路圖;(3) 記錄大批神經元在各種行為及認知功能下的活性,等同於透過觀察的方式來理解大腦電路的運作方式;(4) 透過直接改變神經元活性的技術,探討神經元活性與各種行為及認知功能間的因果關係;(5)建立統合性的腦功能理論以及分析大量資料的工具;(6)將基礎研究的成果推展至人腦方面的疾病治療與預防。

腦啟動計劃所需要的各項技術,尤其是標定各種神經元,記錄以及改變其活性的方法,在過去十年來都有革命性的發展。舉例來說,透過分子遺傳學的技術,現在已經可以在小鼠模型中精準標定各個種類的神經元,並在其中表達量身訂做的新式分子工具,包括光遺傳學(optogenetics)中的各種光控離子通道,或是超敏感螢光探針。光遺傳學這個新技術讓研究者可以透過光照來活化不同的離子通道以控制(增強或是抑制)神經元的活性,是測試神經元活性與各種行為及認知功能因果關係的重要工具。新式螢光探針,譬如新近研發的GCamp6, 則提供了一個用光學顯微鏡大規模記錄神經元活性的途徑。另外,利用微電極直接記錄神經元活性的電生理技術也有長足的進步,同時記錄上百個神經元的技術已經普及,記錄上千個甚至上萬個神經元的技術也已問世。這些新技術讓系統神經科學進到前所未有的境地。

行為與認知功能的重要性
有了這些新技術,就足以了解大腦運作的機轉嗎?最近兩篇論文對這問題提出新的觀點。在第一篇裡,喬納斯(Eric Jonas)與科丁(Konrad Kording)把研究大腦的分析工具,拿來研究一個播放電動玩具的電腦晶片。他們想要知道這些分析工具是否足以理解一個簡單的電腦晶片。他們把電腦晶片裡的電晶體,當成是一個個的神經元,透過電腦模擬來觀察個別電晶體的活性, 同時也在模擬過程中把個別電晶體移除,來檢視他們對電腦晶片整體運作的因果關係。換句話說,喬納斯與科丁希望透過觀察電晶體裡面數位信號的流動,來了解電腦晶片的運作的原理。

然而實驗結果讓人失望:雖然喬納斯與科丁觀察到有趣的電晶體活性,但是整體來說這些分析工具並無法理解電腦晶片的運作邏輯。如果連一個小晶片都搞不定,系統神經科學家真有可能理解大腦的運作方式嗎?

在另外一篇論文裡,克拉考爾(John Krakauer)跟他的同事們提出不同的看法。他們認為問題的癥結,在於「見樹不見林」。克拉考爾等人認為要理解播放電動玩具的電腦晶片,不能把研究的層面侷限在電晶體活性(樹)。要跳脫這侷限,需要的是直接觀察玩家打電動, 才能從中整理出電玩的抽象遊戲規則(林)。這些高層次的規則可以幫助研究者回頭去理解電晶體活性,從而推導出電腦晶片的運作原理。

同樣的道理,如果要了解大腦主管運動的區域是怎麼控制雙腳行走,必須從研究人走路開始,從中萃取出走路這行為的自由度與必要的控制參數,才能回頭去釐清大腦神經元活性是怎麼控制雙腳行走。換句話說,如果研究者從來沒有研究過人走路的樣子,就算新的技術能夠完全的釐清所有神經元的種類,也建立完整的連結圖譜,並能夠同時記錄所有神經元的活性,這些資訊本身仍不足以了解與想像走路是怎麼一回事。克拉考爾的論證對於系統神經科學的啟示在於:在致力發展新技術以記錄更多更精確的神經元活性的同時,系統神經科學家也必須要用同樣的高規格來研究行為與認知功能。唯有理解行為與認知功能背後的規律跟規則,才有可能了解大腦解決這些問題的機轉。

跨領域整合需要理工專長
總括來說,新技術的快速發展讓系統神經科學正進入一個前有未見的黃金年代。要了解大腦的運作機轉,需要的不僅是生物醫學相關的背景,同時也需要數理、電機、資工、機械的專長,一起加入跨領域的研究行列。系統神經科學,不但需要生物學的專長在實驗動物模型中從事基礎系統神經科學研究,也需要認知科學與心理學來剖析認知功能與行為背後的成因與細節;以及臨床醫師(包括精神科、神經科、神經外科、復健科)的參與, 將研究成果應用到病人身上。系統神經科學同時也需電機專長來研發新的電生理與光學紀錄系統;需要統計學來處理大規模的數據分析;需要電腦與資訊科學將大腦運作的巧妙機轉運用到人工智慧跟類神經網路的設計; 以及機械專長來將記錄到的神經訊號透過腦機介面的技術(brain-machine interface)來控制義肢或機械手臂, 或是控制新研發的醫療儀器。這些跨領域整合的例子開展了許多新的研究方向,而其中理工專長的研究人員更是對於新技術的發展有莫大的貢獻,這是值得臺灣研究機構、大學系所、教授以及新進學生共同思考的趨勢。

 

延伸閱讀

Yuste, R.and Bargmann, C., Toward A Global BRAIN Initiative, Cell, Vol. 168: 956–959, 2017.
Jonas, E., Kording, K. P., Could a Neuroscientist Understand a Microprocessor?, PLoS Comput. Biol., Vol. 13: e1005268, 2017.
Krakauer, J. W., et al., Neuroscience Needs Behavior: Correcting a Reductionist Bias, Neuron, Vol. 93: 480–490, 2017.

 

ENGLISH WORD BANK

神經元 neuron

因果關係 cause-effect relation

分子遺傳學 molecular genetics

生物醫學 biomedicine

認知科學 cognitive science

SAMPLE SENTENCE

一旦大腦的運作偏離了常軌,各式各樣的問題隨之而生:像是思覺失調、憂鬱、焦慮、注意力失調與過動、失智、帕金森氏症、癲癇、藥物成癮等。
Once the normal functioning of the brain gets off track, it leads to all kinds of problems: psychosis, depression, anxiety, attention disorders and hyperactivity, dementia, Parkinson’s disease, epilepsy, drug addiction, etc.
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近幾年來,世界各國都投入大量的資源以進行系統神經科學研究,美國的腦啟動計畫(Brain Initiative)是其中最大規模的計畫。
In recent years, countries around the world have invested significant resources in systems neuroscience research projects, among which the BRAIN Initiative in the United States is the largest.
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腦啟動計劃所需要的各項技術,尤其是標定各種神經元,記錄以及改變其活性的方法,在過去十年來都有革命性的發展。
The techniques required for the BRAIN Initiative, especially those that demarcate various neurons as well as record and change their activity, have been revolutionized over the past decade.
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新技術的快速發展讓系統神經科學正進入一個前有未見的黃金年代。
The rapid development of new technology has allowed systems neuroscience to enter an unprecedented golden age.

 

本文內容轉載自科學月刊 569期(2017/05)

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