探索人體最後未知疆界

拚世界「大腦」

撰文記者 王柏豪
日期2017-04-20
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各國都在密門探索如浩瀚宇宙的大腦之謎,甫訪中國的90高齡DNA之父James Watson說:「台灣『大腦』是台灣能貢獻世界科學的地方!」為什麼?

未來10分鐘清晰解析人腦神經元的技術,在台灣,單細胞人類大腦圖譜建立,在台灣這是一顆可能投下人類腦科學的震撼彈,立足國際生命科學研究頂峰,台灣有機會到世界拼「大腦」!

企劃製作:鄔麗.巴旺    編輯:王柏豪    採訪攝影:楊傑名、陳欣儀、蔡立勳    撰文:王柏豪、楊傑名    美術設計:林嘉慶、黃黛鵑


不斷標新人類未來科技的SpaceX 創始人馬斯克 (Elon Musk), 下一步準備改造人類大腦!

3 月27 日,華爾街日報報導,特斯拉(Tesla) 汽車和太空科技公司SpaceX 創始人馬斯克再次成立了一家新公司,Neuralink 也是繼「時速1,200 公里真空超級高鐵」、「環繞月球太空旅行」、「百萬人火星移民」等計畫之後,另一個馬斯克的夢幻計畫。

正如他過去在Twitter 及其他場合多次提到的「神經織網」(neural lace) 概念,Neuralink 希望能透過外科手術於人類大腦中植入微型電極,使之與電腦相連,未來人類可能不需要任何輸入裝置便能與電腦進行互動。

馬斯克以天馬行空的想像,人類將能直接上傳或下載自己的思想,正如同電影《駭客任務》中的角色能藉由後腦杓的連接孔與電腦相連,進而進入「母體」與電腦程式互動。

2009 年上映的全球首部3D 電影《阿凡達》,同樣也是描述人類利用同步思想的機器來操控人工培育的「納美人」有機體,最後甚至透過思想的轉移,主角成功脫離他雙腳癱瘓的人體,而真正成為「納美人」的一員。

甫於3 月31 日上映的電影《攻殼機動隊》,則是改編自1989 年開始連載的日本漫畫,故事背景設定於2040 年,未來科技已可將人類大腦改裝成與具有網際網路功能的電子腦,卻也衍生出網路駭客攻擊電子腦的犯罪行為。

這些科幻電影的情節以及馬斯克的計畫並非毫無根據,目前已有類似概念的「腦機介面」(Brain-Computer Interface, BCI) 正被應用於醫學、遊戲和娛樂等領域,例如一些非侵入式的BCI 已成功幫助部分傷患控制義肢或使遊戲玩家能「用腦」操作指令。

據公開資料顯示,馬斯克早在去年7 月就已經以「醫學研究」之名義註冊了Neuralink,至今仍未經官方宣布,而Neuralink 聯合創始人Max Hodak 表示,目前公司仍於雛形階段,因此各項計劃皆仍在研議中。

不過也有知情人士指出,Neuralink已延攬多位頂尖大學神經科學、電腦工程等領域的教授,首批產品可能先鎖定治療腦部疾病 (如癲癇、重度抑鬱症等) 的植入設備,以證明其技術的安全性和有效性。透過植入式的BCI 來上傳或下載你的思想,有辦法如電影一樣容易嗎?豐富與『高 效』的人生。」


電影「駭客任務」中人類與虛擬世界直接互動的情節,在未來很可能會實現。(示意圖/資料中心)


交大腦科學研究中心開發的腦波帽,能以大腦意念控制機械手臂。(圖/林嘉慶)

基因如文大腦如詩 破解人腦才剛起步

「你在想什麼?」一句看似再平常不過的問句,卻是全球科學家至今仍無法回答的問題。

隨著醫學與生物領域技術的演進,我們逐漸了解身體構造,不同器官與系統間的運作協調方式,也找出許多使人類致病的原因(如細菌、病毒),甚至破解了上帝創造的語言-基因。

正如學習一項新語言的過程,科學家從學習基因的字母(A, T, C, G) 開始,接著認識由字母組成的單字 (蛋白質與細胞特性),到了21 世紀初,科學界達成重大科學成就之一,就是人類基因體的解碼(Human Genome Project)。

自此之後,人們開始解讀上帝寫給大自然的生命計劃書,甚至嘗試「使用」這個語言與不同的物種交談。如果人類連生命最基本的組成單位都能收為己用,究竟還有什麼是人類不知道的呢?答案就是大腦。

若將基因序列比喻為上帝寫的一篇文章,大腦的組成就是上帝寫的一首詩,或許科學家能看懂每個單字的意思,但一首詩中使用了各種不同的呼應、排比、回文等修辭技巧,每個詞彙互相關聯,進而衍生出不同的意義。

現階段腦科學領域,人類就像是剛從小學畢業的孩子,要能真正體會詩詞中的藝術,還有很長一段路要走,還有很多的學習必須克服。

首位華人受邀主講 台灣腦科學躍世界舞台

去年11 月12 ∼ 16 日,第46 屆美國神經科學學會年會(Society for Neuroscience, SfN) 在美國加州聖地牙哥展開。

這是全球神經科學研究最重要的會議之一,引領著世界腦科學研發最先進的科技進展,台下來自超過90 個國家的神經科學領導者、科學家和研究生約3 萬人。

11 月14 日, 大會舉行最重要的一場演講 (Presidential Special Lecture),舞台螢幕上,投放著一顆五彩繽紛的果蠅大腦,組織透明清晰、解析度達單細胞層次,讓神經元結構具體而微。

演講的這位科學家來自台灣,中研院院士、國立清華大學生命科學院院長暨腦科學研究中心主任江安世,這是有史以來,兩岸四地第一位受邀於該演講發表演說的華人學者。

江安世以「Toward Whole-Body Connectome in Drosophila」為題,分享自己和團隊目前在透視果蠅全身性腦功能連結圖譜的研究進展,以及未來展望,演講結束後,江安世被各國科學家包圍,除了推崇外,都希望能有機會跟他合作。

江安世是全球第一個建構果蠅全腦神經網路圖譜的人,他的專長領域在腦科學、神經基因學及生物影像,曾榮獲包括世界科學院(TWAS) 生物學類獎、東亞研究型大學協會傑出講座獎等多項世界性獎項。


江安世把FocusClear™ 當作寵物般、持續不斷地開發研究,終於躍上國際舞台。(圖/楊傑名)

台灣「大腦」貢獻世界科學

江安世的突出科研成果之一,是在2001年發明了一種組織透明澄清液「FocusClear™」,可讓生物組織透明化,讓一顆約莫0.15公厘的果蠅腦組織樣本在共軛焦顯微鏡下,清晰呈現細胞內各項結構及分子的立體分布。

跟江安世演講時螢幕顯示的大腦圖片一樣,各種螢光染色隨著複雜的腦神經,交織出巧奪天工的圖像,任何人一看到顯微鏡下的組織如此透明清楚,都非常驚豔卻難以想像。

「或許正因為FocusClear™這項技術看起來『too good to be true』,發明之初沒有人願意相信!」江安世回首時打趣地說。

不過,當時他並不氣餒,江安世形容,FocusClear™ 變成了他的Pocket Pet (口袋寵物)研究,悄悄養牠、持續不斷地開發研究,他最後把FocusClear™作為研究腦科學的利器,台灣的腦科學也一如顯微鏡下的透明組織,一下子跳躍出國際,成為讓世界驚呼的大腦研究重鎮。

2010年,江安世提出了全球第一個果蠅腦神經圖譜資料庫「FlyCircuit」,解析度可到達單細胞層次,其中包含16,000筆單一神經元資料,並界定出41個區域處理單位(local processing unit),58條神經束(tract),及6個不處理訊號之轉接軸(hub)。

他的突破性研究,引起了基因之父華生(James D. Watson)關注,2010年時,已經80歲的華生無論如何,決定親自走訪一趟台灣,就是為了探訪江安世的實驗室。

「台灣的『大腦』,就是台灣能貢獻世界科學的地方!」走完一圈清大腦科學中心,看了江安世和團隊建置的3D果蠅腦神經圖譜,華生忍不住說。

同輻X光超級顯影 人腦研究曙光

為什麼江安世選擇果蠅作為研究腦科學的模式生物呢?他舉出3個原因。

首先,相較於哺乳類動物的大腦,果蠅大腦相對簡單,13.5萬顆腦細胞約僅佔人腦細胞總數的0.00016%;第二,果蠅的大腦夠複雜,能表現出許多可對應於高等動物的複雜行為,例如學習、記憶、睡眠、求偶;第三,目前果蠅已被科學界充分研究並擁有最完整的基因研究工具,以此基礎更容易透過改變特定基因或神經元,來推測其在大腦運作中扮演的角色。

如今,江安世對果蠅腦神經圖譜的建構已完成將近一半,但這樣的成果也花費他近40人的團隊超過10年的研究時間。

而這只是研究人腦的前哨站,江安世說,「人腦太複雜,裡面有近一千億個細胞」。因此,他在SfN的演講中不諱言地說:「若以現在的方法,要繪製人腦860億顆神經元的圖譜,恐需要1,700萬年才能完成。」

但這對任何一位對探索大腦求知若渴的科學家,都難以等待。各國政府更紛紛投入天文鉅資,將「腦科學計畫」列入國家戰略科技重要研究,無不希望能儘早了解人類大腦,進而掌控大腦。

江安世曾表示,「國家應更重視腦科學研究,因為誰能掌握腦神經如何運作,誰就掌握下個大國崛起的關鍵。」

已經握有FocusClear™ 技術基礎的江安世,憑藉著相較於各國團隊都顯得極為短絀的有限資源,默默在台灣致力開發更新的顯影技術提升腦圖譜繪製的效率。

他在SfN透露,未來只要利用一種名為「同步輻射X光顯影技術」(Synchrotron X-ray tomography)就能在短短10分鐘內掃描出上千顆神經元的位置。

這無疑是對全世界腦科學研究學者投下了另一顆震撼彈。

如同當年人類基因解碼計畫一樣,第一代基因定序儀(ABI3700)石破驚天問世後,計畫進展突飛猛進,最終讓人類提早了5年完成這項任務。而據了解,江安世團隊這項創舉技術目前仍在改良優化當中,但已有初步令人驚艷的顯影結果。

江安世說:「有了這項技術,未來要建立單一細胞解析度之人類大腦圖譜,這個目標終於又離現實更接近一步了。」


研究大腦 一部漫長史

縱觀腦科學的發展歷史,大致上可分為3個階段。

第一階段是100多年前,義大利生理學家Camillo Golgi及西班牙組織學家Santiago Ramón y Cajal等人利用銀染的方式發明的神經元染色技術,人們首次可以看見大腦的基本結構與單位。

這個突破性的發明讓Golgi和Cajal兩人獲得1906年諾貝爾生理學醫學獎,其中,Cajal更提出了後世研究神經科學之本的「神經元學說」(neuron doctrine),現代腦科學研究也大約是從當時逐漸展開。

了解神經元的構造後,人們開始研究神經元的功能與作用機制,1930年代神經元單電極紀錄(single electrode recording)的技術發展,開啟了腦科學研究的第二階段。

當時,英國生理學家Alan Lloyd Hodgkin與Andrew Fielding Huxley共同研究並發現了神經的動作電位(neuron action potential),而兩人也因此與研究神經突觸的澳大利亞神經生理學家John Carew Eccles,共同於1963年獲得諾貝爾生理學醫學獎。

隨著分子生物學與細胞生物學技術的演進,第三階段科學家開始將這些方法導入腦科學研究中,在更微觀的分子層次上,觀察神經細胞在發育、分化、損傷及再生時的改變,希望藉此找到造成神經疾病的原因與治療方式。

然而在這個階段,人們研究腦的方法仍然是以細胞培養以及腦部切片為主,無法直接對活體動物的大腦進行即時觀察,因此仍無法對動物的認知功能(如學習、思考、記憶等)進行整合研究。

目前,腦科學正進入第四階段的發展,科學家開始對不同的模式生物進行基因轉殖或基因剔除,讓人們能觀察不同的腦神經細胞,或其產生的物質究竟是因何種機制而對生物體的行為、認知等造成影響。

利用基因工程的方式,科學家還能讓腦神經發出不同顏色的螢光,有助於我們更了解每個物種的大腦結構,最終更希望能夠繪製出最複雜的人類大腦完整結構圖譜,完成破解人類大腦的第一步。


含有FocusClear™ 組織透明澄清液的顯微鏡片。(圖/楊傑名)

>>本文刊登於《環球生技月刊》Vol. 42