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2018-03-01小腦袋大數據— 大腦圖譜研究計畫
579 期
Author 作者
羅中泉／國立清華大學系統神經科學 研究所副教授。
人類是冒險的動物，在過去數十乃至於數百萬年中，嘗試不斷地往各種未知的環境探險。除了地理上的冒險，強烈的好奇心也驅使人類在科學研究上持續地往前推進。從過去一系列的太空探索計畫、人類基因組計 畫（Human Genome Project, HGP）， 到現今的腦科學則成為21世紀人類另一個積極開疆擴土的領域之一。如同地圖的繪製支持了人類在地理上的冒險，高解析度的大腦圖譜（神經網路連結圖）可為我們在大腦研究提供關鍵的資訊。本文將探討繪製大腦圖譜所需的技術及其瓶頸，以及臺灣科學家如何藉由不斷的創新為這個領域帶來突破性的貢獻。
大腦圖譜—腦科學研究的關鍵
人類大腦擁有約860億個神經元，是我們的銀河系恆星數量的1/4~1/2，且每個神經元又與數萬個其他的神經元相連結，形成一個複雜到難以想像的網路。我們的思考，無論是理性還是感性，都是建構在這個有如內心的小宇宙般的複雜網路上。而許多精神性疾病的產生，也來自於大腦網路的異常。因此，想要理解人類智慧的根源以及發展治療腦疾病的方法，取得一個詳盡的大腦神經網路連結圖則成為其中一個最關鍵的工作。不過，由於大腦網路的複雜性，這個工作有極高的技術困難度。然而，因其對於生物醫學乃至於人類社會的潛在益處，大腦圖譜遂成為全球科學 家繼90 年代人類基因組計畫後所爭相投入的最大科學研究目標之一。
高基與拉蒙卡哈的突破
大腦圖譜研究的歷史源遠流長，但實質上的躍進大抵都來自於觀測技術的突破。17 世紀光學顯微鏡的發明開啟了現代生物學的發展。雖然藉由染色法，科學家可以觀察各種生物組織的結構，但是對於大腦切片卻一籌莫展，主要原因在於神經細胞非常緊密地生長在大腦中，在傳統染色法下難以觀察到有意義的結構。此外，神經最重要的特徵是如樹枝狀的結構，這也是神經間互相傳遞與接收訊息的地方。這些細微的樹枝狀結構密密麻麻的分布於大腦中，卻難以被傳統染色法所染色。這個困境在1870年代被義大利科學家高基（Camillo Golgi）所突破。高基使用硝酸銀讓神經細胞的完整結構都能被染色，並且每次僅讓樣品中的一小部分神經細胞被隨機染色，因此在顯微鏡下得以觀察到清楚分離的細胞結構（圖一）。
利用高基氏染色法，西班牙科學家拉蒙卡哈（Santiago Ramón y Cajal） 畫出一張又一張極其精細的大腦神經細胞結構（圖二），這些細胞各個獨立，卻又彼此相接觸，讓世人首次瞭解到神經網路的複雜。也因為這樣的貢獻，拉蒙卡哈被稱作現代神經科學之父，並與高基於1906 年共同獲得了諾貝爾生理或醫學獎。
電子顯微鏡的發展
雖然高基與拉蒙卡哈為神經科學帶來突破性的貢獻，但因光學顯微鏡的解析度限制（約 0.25~0.5 微米）以及高基氏法稀疏染色的特性使得科學家一直無法如繪製地圖般的精確繪製神經細胞的連結網路。這樣的困境在超高解析度（奈米尺度）的電子顯微鏡發明後獲得了一點曙光。……【更多內容請閱讀科學月刊第579期】