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- 559期－直擊大腦的神祕宇宙（7月號）
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2016-07-01神經科學新技術─如何解開大腦的神祕訊息？
559 期
Author 作者
陳摘文／於臺大與德國歌廷根大學取得電機學士與神經科學博士學位，畢業後到美國珍利亞研究所進行博士後研究。
竊聽神經元訊號
人類的大腦由上千億顆神經細胞組成，每顆神經元的型態不盡相同，可是他們都透過調變細胞膜內外的電位差來傳遞訊號。一個多世紀以前，科學家就已經知道神經細胞的訊號，是以全有（1）或全無（0）的數位方式傳遞，猶如電腦的運作方式。神經細胞的1，是大小約0.1伏特，持續約0.001秒的膜電位脈衝，科學家們稱之為「動作電位（action potential）」。一般認為，大腦神經元所有的溝通跟運算，都是透過動作電位來執行。
這也難怪，一百多年來，科學家絞盡腦汁想要記錄神經元的電訊號，就如同特務在電話交換機夾上竊聽器一般，科學家在大腦中插入電極來竊聽神經元的秘密。可是，神經細胞的訊號非常微小，想要竊聽到單一細胞的訊號，電極必須要放在細胞旁邊，甚至要插到細胞裡面才行。然而，大腦像是個超高密度的積體電路，每立方公釐的組織裡擠著數萬個神經元。不夠微小的電極，或是實驗中最細微的震動，都是精密的神經網路最致命的殺手。
這些困難都難不倒鍥而不捨的神經科學家。隨著科技的發展，如頭髮一般細的微電極，超靈敏、低雜訊的放大器，以及穩定的機器手臂陸續發明。這讓科學家能將電極準確插入腦中，並在麻醉或甚至是清醒的大腦裡分離出單一神經元訊號，讓我們一窺大腦運作的秘密。到目前為止至少有十多位諾貝爾獎得主的研究（包括2014年生醫獎的3位獲獎者），都與神經電訊號的紀錄與分析有關。
然而，即使在科技進步的今天，用微電極記錄腦中的每一個神經細胞，仍然是遙不可及的夢想。因為這代表著要在腦中插入無數的電極，並精準放置在每個細胞旁邊。以目前最先進的電極陣列，在一立方公釐大小的空間裡最多能記錄到約十多顆神經元，只占總細胞數的千分之一。試想，如果一本書只能隨機讀取千分之一的文字，是要如何瞭解書中的內容呢？這是一直以來困擾科學家的問題──到底要如何大規模記錄每個神經元所傳遞的訊號呢？
分子探針潛入細胞
如果有一種超小型探測器，小到能輕易的放到細胞裡，量測細胞的訊號並且用無線的方式傳送出來，這樣我們是否有機會大量竊取神經細胞的密碼呢？這聽起來像是天方夜譚，可是2008年諾貝爾獎得主錢永健（Roger Yonchien Tsien） 竟然在20多年前就想到了辦法。他的實驗室開發出一系列超小型的無線生理訊號探針。令人驚訝無比的是，這些探針竟然比細胞小了1000倍以上，而且可以由細胞自行合成，稱之為分子探針（molecular probe）。
生物學家很早以前就知道，細胞其實是複雜無比的微型工廠，無時無刻根據儲存在DNA序列中的基因藍圖，製造出細胞生存所需的超小型零件──蛋白質。根據不同DNA序列可製造不同的蛋白質，有的幫助細胞運送貨物，有的負責偵測細胞內的生理反應，有的協助細胞產生電訊號。海洋生物學家下村脩（Osamu Shimomura）發現，海中水母的細胞竟然會製造可發出螢光的蛋白質。換句話說，早在千萬年前，演化的愛迪生就已經發明了超小型的分子燈泡，在黑暗中照亮著大海。......【更多內容請閱讀科學月刊第559期】