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另一個腦:開啟思考、記憶、健康與疾病的未知領域

The Other Brain: From Dementia to Schizophrenia, How New Discoveries About the Brain Are Revolutionizing Medicine and Science

作者:道格拉斯.費爾茲 R. Douglas Fields, Ph.D.

譯者:楊宗宏、楊凱雯、潘震澤

出版品牌:衛城出版

出版日期:2013-09-12

產品編號:9789868962620

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  • 內容簡介
  • 作者簡介
  • 譯者簡介
  • 書摘
  • 詳細資料
重大疾病的新曙光
愛因斯坦天才的祕密關鍵
愛因斯坦死後,他的腦成為科學家的研究材料。許多人等著發現他的腦神經細胞異於常人,實際觀察的結果卻與一般人無異。唯一發現的不同點是:腦神經周邊「無關緊要」的膠細胞比常人多一倍。
我們在學校學到,神經系統由神經細胞(神經元)組成,負責思考與記憶等高階功能的大腦則匯聚了一大堆神經元。至於旁邊那些黏膠一般的不起眼細胞,只是支撐物而已。
一個多世紀以來,科學家確實是這麼相信的。但是近三十年的研究慢慢發現,占人腦至少半數的膠細胞不但有自己獨特的訊息傳遞網絡,還會調控神經元之間的資訊流通;它們與神經元之間的協同合作,可能才是思考、記憶與創意的源頭。此外,膠細胞還負責防衛病毒、修補神經元損傷,以及引導新生神經纖維恢復與肌肉之間的恰當溝通。
膠細胞病變不但會導致腦瘤與多發性硬化症,新近更發現,精神分裂與抑鬱症等精神疾病,以及帕金森氏症與阿茲海默症等神經退化疾病都與膠細胞有重大關連。另外,這種細胞可能跟慢性疼痛以及某些傳染病如愛滋病與普利子疾病(如狂牛症)有關。膠細胞因此成為治療這些疾病的關鍵,甚至可能找到脊髓損傷導致癱瘓的治療方式,是下一波醫學革命的熱門研究主題。
本書作者費爾茲在膠細胞研究領域耕耘數十年,是這個領域的先驅與權威。《另一個腦》不但是由第一線研究者提供的第一手報導,難能可貴,書中豐富的故事與清晰的解說,更注定會讓此書成為這個領域的科普經典。
 

得獎推薦

費爾茲用簡單明瞭的文字,成功說明瞭解「另一個腦」將為我們開啟各種驚奇的可能性。
 
──《科克斯評論》(Kirkus Reviews
 
 
 
令人信服、充滿趣味、資訊豐富,解釋了過去被視為神經元支撐物質的膠細胞的祕密生命。費爾茲以極具說服力的論述,說明這「另一個腦」可能是治療多發性硬化症、偏頭痛與中風等疾病的關鍵,也是進一步瞭解人類心智的關鍵。
 
──Richard Restak,《莫札特的腦》(Mozart"s Brain and the Fighter Pilot)作者
 

 

潘震澤
 
臺灣大學動物系所畢業、美國偉恩州立大學生理學博士,專長為神經內分泌學。曾任陽明大學生理研究所教授兼所長,並獲慶齡基礎醫學獎、國科會傑出獎、特約獎等榮譽。現任教美國奧克蘭大學。
 
近年關心科普讀物譯介,譯有《人體生理學》、《愛上中國的人:李約瑟傳》、《潘朵拉的種子》等書,著有《科學讀書人》、《生活無處不科學》,並擔任《科學人》雜誌編譯委員。
 
 
 
楊宗宏
 
畢業於臺灣大學動物系,美國加州大學聖地牙哥分校斯克里普斯海洋研究所海洋生物學博士。其後在臺灣大學醫學院、史丹佛大學霍布金斯海洋研究站以及科羅拉多大學的健康科學中心從事蛋白質研究。對生化、生理、生態和演化皆有涉獵,先後在國際專業期刊發表了近二十篇相關論文。過去十二年來在聖地牙哥的生物製藥公司,從事蛋白質藥物的研發工作。閒暇時從事科普著作的翻譯,譯有《蛋白質殺手》(與潘震澤合譯)與《我們的身體裡有一條魚》。
 
 
 
楊凱雯
 
熱愛動物、閱讀以及旅行。畢業於臺灣大學動物系及約翰霍普金斯大學。目前就職於北加州某生技公司並攻讀加州大學柏克萊分校企管碩士。
 
 
 
 
導讀:腦中「暗物質」現形記
 
潘震澤
 
 
 
神經科學研究於二十世紀後半葉有突飛猛進的發展;這一點從坊間給大眾閱讀的神經科學書籍的出版數量與速度上,可見一斑。這一點其實並不難瞭解,因為腦是掌管人感覺、運動、思想、情緒等功能的器官,更是造成人之所以為人的「心靈」所在;因此,神經系統的解剖、生理、藥理、病理以及行為等各個面向,都讓人神往。還有最重要的一點,腦是人體內最後一塊的未知領域,更是吸引了許多研究者的興趣與投入。
 
神經系統的主角一向是稱作「神經元」(neuron)的細胞,因為它長相突出、充滿活力,且多才多藝;由神經元發出細長的神經纖維(軸突)可傳導電訊,其末梢並與其他神經元以突觸相連,形成複雜的神經網絡。目前熱門的神經科學研究,就是試圖建立完整的腦神經連結圖譜,並仿效人類基因組計畫,稱之為「人類神經連結組計畫」(Human Connectome Project)。甚至有神經科學家宣稱:「我的神經連結組就等於我這個人。」(I am my connectome.)
 
然而多數人可能有所不知,神經元最多只占腦中細胞總數的一半,甚至少至十分之一,其餘的非神經細胞則統稱為「膠細胞」(glia);顧名思義,就是類似結締組織細胞、將神經元給黏接起來的支持細胞。膠細胞可分為四大類:許旺細胞(Schwann cell)、星狀細胞(astrocyte)、微膠細胞(microglia),以及寡樹突細胞(oligodendrocyte);除了許旺細胞位於周邊神經外,其餘都只存在於中樞神經(腦與脊髓)。
 
膠細胞的一頁發現史與神經元的幾乎一樣長,但受到的重視卻遠遠不如。其中緣由很簡單,因為腦中發號司令的是神經元,一如人類社會的領袖人物,受眾人矚目;至於默默待在一旁的膠細胞,就好比占了絕大多數的社會大眾一樣,乏人聞問。幾十年來,膠細胞在生理學、甚至神經科學的教科書裡,都只有薄薄幾頁甚或短短幾段的介紹;因此,不要說一般大眾,就連多數生理學家與神經科學家對膠細胞也不甚了了。
 
膠細胞一般為人所知的功能,包括提供神經組織支撐、絕緣與營養、清除細胞間多餘的離子與神經遞質、協同微血管內皮細胞形成屏障,以及防禦外侮等;對神經系統的健康與正常運作而言,都是重要功能。譬如靠電脈衝傳導訊息的神經元之間如無膠細胞的間隔絕緣,將會短路,一切也就亂了套。更重要的是:電脈衝在神經軸突上的跳躍式快速傳導,就是靠膠細胞形成的絕緣髓鞘幫忙。神經要是少了髓鞘,神經傳導就無法順利進行,也就會出現如多發性硬化症(multiple sclerosis)患者身上的各種感覺與運動缺失症狀。
 
再者,神經組織必須嚴格維持其細胞外液的組成,包括各種離子的組成與濃度,否則神經元將無法維持穩定的膜電位,不是隨意放電就是不能產生動作電位,而造成各種問題。膠細胞能吸收神經元放電時釋出細胞外的鉀離子,以維持細胞外液的濃度,因此是維持神經元電力的重要推手。還有就是血液中的各種化合物(包括食物成分、藥物及代謝產物等)不應該隨便進入神經組織,否則就可能影響到神經元的正常運作。為了保護敏感的神經元,構成腦中微血管管壁的內皮細胞不單排列緊密,外頭還有膠細胞包圍,形成「血腦障壁」(blood-brain barrier)這種重要的保護裝置,分隔腦組織液與血液。
 
雖然膠細胞的這些功能早為人知,但一般都將其歸入管家類的打雜任務,並不認為它們主動參與了神經系統的運作,直到近二十年前、包括本書作者在內的科學家發現:膠細胞不但能監聽神經元的放電活性,同時還會利用鈣離子在膠細胞內部以及膠細胞之間傳遞訊息,形成膠細胞網絡。再者,膠細胞的細胞膜上也帶有各種神經遞質(neurotransmitter)的受體,可對神經元分泌的神經遞質反應。尤有甚者,膠細胞本身還會分泌膠細胞遞質(gliotransmitter),好比牛磺酸(taurine)、ATP、D絲胺酸等,更模糊了神經元與膠細胞的分界。
 
膠細胞在監聽神經元活性後,可做出許多反應,包括引起血管放鬆或收縮以增加或減少局部血流供應、改變神經末梢的形狀以增加或減少神經突觸的接觸面積,以及釋放各種因子以增加或減少神經突觸的數目等。經由這些變化,膠細胞可直接或間接影響神經元的作用以及神經網絡的建立。
 
膠細胞的重要性還不僅於此;從胚胎發育期起,膠細胞就主導了神經元在腦中的移動與分布。某種原始膠細胞會在胚腦當中形成類似建築鷹架的構造,好讓新生的神經元得以順著它們前往目的地。等神經元固定下來後,就會發出或長或短的軸突,前往其標的細胞(可以是另一個神經元、肌肉、腺體或血管等),形成以突觸為連結的神經網絡;這個過程,也仰賴沿途的膠細胞指路。如果膠細胞在發育階段因基因突變、藥物(包括酒精)或其他因素而受損,將造成各種神經病變,從水腦到智力遲滯不等。甚至人類心智能力的成熟,也要仰賴膠細胞;像前額葉神經纖維的髓鞘化,一直要到二十來歲才完成,也給「成年」下了新的定義。
 
膠細胞引導神經元發育與生長的作用,在神經組織受傷後的復原工作上,更是舉足輕重。無論是由外力造成、還是由腦血管病變中風引起的腦部傷害,輕則半身不遂,重則性命不保。若是脊髓受傷,則視位置而定,可能造成下半身或全身癱瘓。膠細胞在神經組織受傷後除了幫忙修復以降低損害程度外,由膠細胞形成的傷疤組織則阻礙了神經軸突的再生。中樞神經的難以再生,可是惡名昭彰,但周邊神經系統的膠細胞不但不會阻礙軸突再生,反而會引導新生的軸突前往正確的位置。科學家如能找出中樞與周邊膠細胞的作用差異,將可能幫助於成千上萬的脊髓受傷患者,功德無量。
 
幾乎所有神經系統的正常功能,好比學習記憶、清醒睡眠,甚至高階的思想智力功能,都有膠細胞的參與。舉個極端的例子:愛因斯坦大腦裡的神經元數目與一般人無異,但膠細胞數目卻有顯著增加;由於神經突觸的連結受膠細胞控制,因此膠細胞也就控制了我們的神經連結組,重要性自是不可小觑。但膠細胞對神經系統的作用層面之廣,以及在臨床醫療上的應用潛力之大,還得從病理的角度才能一窺究竟。
 
除了前述多發性硬化症是由構成神經髓鞘的膠細胞受損所造成之外,幾乎所有的腦病變都有膠細胞的參與:像腦瘤絕大部分是膠細胞瘤(glioma);引起愛滋病的人類免疫缺陷病毒(HIV)除了侵犯特定的T淋巴球外,就是腦中的微膠細胞;引起普利子症(prion disease)與阿茲海默症(Alzheimer"s disease)的腦中不正常摺疊蛋白,除了堆積在神經元當中外,也包括了膠細胞;由運動神經元死亡造成的肌萎縮性脊髓側索硬化症(ALS,俗稱漸凍人)很可能是由位於運動神經元外圍的膠細胞失去了保護作用所致;同樣的,造成帕金森氏症(Parkinson"s disease)患者腦中多巴胺神經元的死亡,也有膠細胞的參與;其餘如癲癇(epilepsy)、偏頭痛(migraine)、慢性疼痛以及一系列精神疾病好比精神分裂、抑鬱與躁狂等的成因,膠細胞也都扮演重要的角色。
 
從演化的觀點來看,神經元與紅血球、骨細胞等體內許多專業化細胞一樣,都已分化到只專精某項技能,以至於連日常生活都需要旁人打理的地步。再者,成熟的神經元基本上不能再生,並且得伴隨人度過一輩子,而不像紅血球只有一百多天的壽命,隨時可被新生的血球取代,因此,維護神經元的健康成了一等要事,也是膠細胞的主要任務。
 
人體健康靠的是所謂的恆定(homeostasis),也就是體內所有參數都處於一種動態的平衡;如果有任何參數偏離其平衡值太遠以及時間太長,人就生了病。神經系統的主角雖然是神經元,其恆定卻靠膠細胞維持;因此鮮花綠葉,缺一不可。忽視了膠細胞的神經科學研究,得出的自然是不完整的知識;少了針對膠細胞的醫療保健,自然也達不到理想的效果。
 
膠細胞研究遠遠落後於神經元研究之後,除了表面上膠細胞不如神經元耀眼外,方法學的不足也是原因之一。由於神經元具有發出電脈衝以及釋放神經遞質的能力,因此多年來科學家發展出的電生理、神經化學以及神經藥理的研究方法大都針對神經元,對膠細胞則用不上。直到利用對鈣離子敏感的螢光劑來偵測細胞內鈣離子濃度變化的造影技術發明後,科學家才總算有了直接觀察膠細胞運作的工具。
 
本書作者費爾茲就是最早觀察到當神經元興奮時,其周圍的膠細胞也出現胞內鈣離子波的人士之一;由他帶領我們走過膠細胞的一頁研究史,除了讓人有機會一窺腦中另一半不為人知的世界外,書中文字更表現出他對膠細胞研究的一份熱情。本書絕對是瞭解膠細胞不可或缺的入門之作,就算入行已久的神經科學研究者也會同筆者一樣,從閱讀中獲得許多意外的驚喜,特此鄭重推薦。
 
後記:個人於兩年前接下本書的翻譯工作,不想馬上又冒出之前翻譯的《凡德氏人體生理學》教科書改版新譯工作,以至於拖了半年還未能開工。心急之餘,只好商請先前合作過的楊宗宏與楊凱雯兩位幫忙,完成初譯,我再逐字逐句對照原文修改潤色,並統一全書遣辭用句及體例;因此這本書是三位譯者的腦力結晶,彌足珍貴。本書的第一部與第三部由宗宏負責初譯,第二部則由凱雯負責,最後的成品以及校訂工作則由本人完成;譯文如有任何缺失之處,責任都在本人身上。此外還要感謝北京大學神經科學研究所于常海教授提供GFAP發現人伍福廉(Lawrence Eng)的中文姓名,讓更多華人知道前輩華裔科學家的大名與成就。
 
 

潘震澤臺灣大學動物系所畢業、美國偉恩州立大學生理學博士,專長為神經內分泌學。曾任陽明大學生理研究所教授兼所長,並獲慶齡基礎醫學獎、國科會傑出獎、特約獎等榮譽。現任教美國奧克蘭大學。近年關心科普讀物譯介,譯有《人體生理學》、《愛上中國的人:李約瑟傳》、《潘朵拉的種子》等書,著有《科學讀書人》、《生活無處不科學》,並擔任《科學人》雜誌編譯委員。 楊宗宏畢業於臺灣大學動物系,美國加州大學聖地牙哥分校斯克里普斯海洋研究所海洋生物學博士。其後在臺灣大學醫學院、史丹佛大學霍布金斯海洋研究站以及科羅拉多大學的健康科學中心從事蛋白質研究。對生化、生理、生態和演化皆有涉獵,先後在國際專業期刊發表了近二十篇相關論文。過去十二年來在聖地牙哥的生物製藥公司,從事蛋白質藥物的研發工作。閒暇時從事科普著作的翻譯,譯有《蛋白質殺手》(與潘震澤合譯)與《我們的身體裡有一條魚》。 楊凱雯熱愛動物、閱讀以及旅行。畢業於臺灣大學動物系及約翰霍普金斯大學。目前就職於北加州某生技公司並攻讀加州大學柏克萊分校企管碩士。導讀:腦中「暗物質」現形記潘震澤 神經科學研究於二十世紀後半葉有突飛猛進的發展;這一點從坊間給大眾閱讀的神經科學書籍的出版數量與速度上,可見一斑。這一點其實並不難瞭解,因為腦是掌管人感覺、運動、思想、情緒等功能的器官,更是造成人之所以為人的「心靈」所在;因此,神經系統的解剖、生理、藥理、病理以及行為等各個面向,都讓人神往。還有最重要的一點,腦是人體內最後一塊的未知領域,更是吸引了許多研究者的興趣與投入。神經系統的主角一向是稱作「神經元」(neuron)的細胞,因為它長相突出、充滿活力,且多才多藝;由神經元發出細長的神經纖維(軸突)可傳導電訊,其末梢並與其他神經元以突觸相連,形成複雜的神經網絡。目前熱門的神經科學研究,就是試圖建立完整的腦神經連結圖譜,並仿效人類基因組計畫,稱之為「人類神經連結組計畫」(Human Connectome Project)。甚至有神經科學家宣稱:「我的神經連結組就等於我這個人。」(I am my connectome.)然而多數人可能有所不知,神經元最多只占腦中細胞總數的一半,甚至少至十分之一,其餘的非神經細胞則統稱為「膠細胞」(glia);顧名思義,就是類似結締組織細胞、將神經元給黏接起來的支持細胞。膠細胞可分為四大類:許旺細胞(Schwann cell)、星狀細胞(astrocyte)、微膠細胞(microglia),以及寡樹突細胞(oligodendrocyte);除了許旺細胞位於周邊神經外,其餘都只存在於中樞神經(腦與脊髓)。膠細胞的一頁發現史與神經元的幾乎一樣長,但受到的重視卻遠遠不如。其中緣由很簡單,因為腦中發號司令的是神經元,一如人類社會的領袖人物,受眾人矚目;至於默默待在一旁的膠細胞,就好比占了絕大多數的社會大眾一樣,乏人聞問。幾十年來,膠細胞在生理學、甚至神經科學的教科書裡,都只有薄薄幾頁甚或短短幾段的介紹;因此,不要說一般大眾,就連多數生理學家與神經科學家對膠細胞也不甚了了。膠細胞一般為人所知的功能,包括提供神經組織支撐、絕緣與營養、清除細胞間多餘的離子與神經遞質、協同微血管內皮細胞形成屏障,以及防禦外侮等;對神經系統的健康與正常運作而言,都是重要功能。譬如靠電脈衝傳導訊息的神經元之間如無膠細胞的間隔絕緣,將會短路,一切也就亂了套。更重要的是:電脈衝在神經軸突上的跳躍式快速傳導,就是靠膠細胞形成的絕緣髓鞘幫忙。神經要是少了髓鞘,神經傳導就無法順利進行,也就會出現如多發性硬化症(multiple sclerosis)患者身上的各種感覺與運動缺失症狀。再者,神經組織必須嚴格維持其細胞外液的組成,包括各種離子的組成與濃度,否則神經元將無法維持穩定的膜電位,不是隨意放電就是不能產生動作電位,而造成各種問題。膠細胞能吸收神經元放電時釋出細胞外的鉀離子,以維持細胞外液的濃度,因此是維持神經元電力的重要推手。還有就是血液中的各種化合物(包括食物成分、藥物及代謝產物等)不應該隨便進入神經組織,否則就可能影響到神經元的正常運作。為了保護敏感的神經元,構成腦中微血管管壁的內皮細胞不單排列緊密,外頭還有膠細胞包圍,形成「血腦障壁」(blood-brain barrier)這種重要的保護裝置,以分隔腦組織液與血液。雖然膠細胞的這些功能早為人知,但一般都將其歸入管家類的打雜任務,並不認為它們主動參與了神經系統的運作,直到近二十年前、包括本書作者在內的科學家發現:膠細胞不但能監聽神經元的放電活性,同時還會利用鈣離子在膠細胞內部以及膠細胞之間傳遞訊息,形成膠細胞網絡。再者,膠細胞的細胞膜上也帶有各種神經遞質(neurotransmitter)的受體,可對神經元分泌的神經遞質反應。尤有甚者,膠細胞本身還會分泌膠細胞遞質(gliotransmitter),好比牛磺酸(taurine)、ATP、D—絲胺酸等,更模糊了神經元與膠細胞的分界。膠細胞在監聽神經元活性後,可做出許多反應,包括引起血管放鬆或收縮以增加或減少局部血流供應、改變神經末梢的形狀以增加或減少神經突觸的接觸面積,以及釋放各種因子以增加或減少神經突觸的數目等。經由這些變化,膠細胞可直接或間接影響神經元的作用以及神經網絡的建立。膠細胞的重要性還不僅於此;從胚胎發育期起,膠細胞就主導了神經元在腦中的移動與分布。某種原始膠細胞會在胚腦當中形成類似建築鷹架的構造,好讓新生的神經元得以順著它們前往目的地。等神經元固定下來後,就會發出或長或短的軸突,前往其標的細胞(可以是另一個神經元、肌肉、腺體或血管等),形成以突觸為連結的神經網絡;這個過程,也仰賴沿途的膠細胞指路。如果膠細胞在發育階段因基因突變、藥物(包括酒精)或其他因素而受損,將造成各種神經病變,從水腦到智力遲滯不等。甚至人類心智能力的成熟,也要仰賴膠細胞;像前額葉神經纖維的髓鞘化,一直要到二十來歲才完成,也給「成年」下了新的定義。膠細胞引導神經元發育與生長的作用,在神經組織受傷後的復原工作上,更是舉足輕重。無論是由外力造成、還是由腦血管病變(中風)引起的腦部傷害,輕則半身不遂,重則性命不保。若是脊髓受傷,則視位置而定,可能造成下半身或全身癱瘓。膠細胞在神經組織受傷後除了幫忙修復以降低損害程度外,由膠細胞形成的傷疤組織則阻礙了神經軸突的再生。中樞神經的難以再生,可是惡名昭彰,但周邊神經系統的膠細胞不但不會阻礙軸突再生,反而會引導新生的軸突前往正確的位置。科學家如能找出中樞與周邊膠細胞的作用差異,將可能幫助於成千上萬的脊髓受傷患者,功德無量。幾乎所有神經系統的正常功能,好比學習記憶、清醒睡眠,甚至高階的思想智力功能,都有膠細胞的參與。舉個極端的例子:愛因斯坦大腦裡的神經元數目與一般人無異,但膠細胞數目卻有顯著增加;由於神經突觸的連結受膠細胞控制,因此膠細胞也就控制了我們的神經連結組,重要性自是不可小觑。但膠細胞對神經系統的作用層面之廣,以及在臨床醫療上的應用潛力之大,還得從病理的角度才能一窺究竟。除了前述多發性硬化症是由構成神經髓鞘的膠細胞受損所造成之外,幾乎所有的腦病變都有膠細胞的參與:像腦瘤絕大部分是膠細胞瘤(glioma);引起愛滋病的人類免疫缺陷病毒(HIV)除了侵犯特定的T淋巴球外,就是腦中的微膠細胞;引起普利子症(prion disease)與阿茲海默症(Alzheimer"s disease)的腦中不正常摺疊蛋白,除了堆積在神經元當中外,也包括了膠細胞;由運動神經元死亡造成的肌萎縮性脊髓側索硬化症(ALS,俗稱漸凍人)很可能是由位於運動神經元外圍的膠細胞失去了保護作用所致;同樣的,造成帕金森氏症(Parkinson"s disease)患者腦中多巴胺神經元的死亡,也有膠細胞的參與;其餘如癲癇(epilepsy)、偏頭痛(migraine)、慢性疼痛以及一系列精神疾病(好比精神分裂、抑鬱與躁狂等)的成因,膠細胞也都扮演重要的角色。從演化的觀點來看,神經元與紅血球、骨細胞等體內許多專業化細胞一樣,都已分化到只專精某項技能,以至於連日常生活都需要旁人打理的地步。再者,成熟的神經元基本上不能再生,並且得伴隨人度過一輩子,而不像紅血球只有一百多天的壽命,隨時可被新生的血球取代,因此,維護神經元的健康成了一等要事,也是膠細胞的主要任務。人體健康靠的是所謂的恆定(homeostasis),也就是體內所有參數都處於一種動態的平衡;如果有任何參數偏離其平衡值太遠以及時間太長,人就生了病。神經系統的主角雖然是神經元,其恆定卻靠膠細胞維持;因此鮮花綠葉,缺一不可。忽視了膠細胞的神經科學研究,得出的自然是不完整的知識;少了針對膠細胞的醫療保健,自然也達不到理想的效果。膠細胞研究遠遠落後於神經元研究之後,除了表面上膠細胞不如神經元耀眼外,方法學的不足也是原因之一。由於神經元具有發出電脈衝以及釋放神經遞質的能力,因此多年來科學家發展出的電生理、神經化學以及神經藥理的研究方法大都針對神經元,對膠細胞則用不上。直到利用對鈣離子敏感的螢光劑來偵測細胞內鈣離子濃度變化的造影技術發明後,科學家才總算有了直接觀察膠細胞運作的工具。本書作者費爾茲就是最早觀察到當神經元興奮時,其周圍的膠細胞也出現胞內鈣離子波的人士之一;由他帶領我們走過膠細胞的一頁研究史,除了讓人有機會一窺腦中另一半不為人知的世界外,書中文字更表現出他對膠細胞研究的一份熱情。本書絕對是瞭解膠細胞不可或缺的入門之作,就算入行已久的神經科學研究者也會同筆者一樣,從閱讀中獲得許多意外的驚喜,特此鄭重推薦。後記:個人於兩年前接下本書的翻譯工作,不想馬上又冒出之前翻譯的《凡德氏人體生理學》教科書改版新譯工作,以至於拖了半年還未能開工。心急之餘,只好商請先前合作過的楊宗宏與楊凱雯兩位幫忙,完成初譯,我再逐字逐句對照原文修改潤色,並統一全書遣辭用句及體例;因此這本書是三位譯者的腦力結晶,彌足珍貴。本書的第一部與第三部由宗宏負責初譯,第二部則由凱雯負責,最後的成品以及校訂工作則由本人完成;譯文如有任何缺失之處,責任都在本人身上。此外還要感謝北京大學神經科學研究所于常海教授提供GFAP發現人伍福廉(Lawrence Eng)的中文姓名,讓更多華人知道前輩華裔科學家的大名與成就。 

前言
 
 
人腦中上千億個神經元如何讓我們記得自己是誰?如何讓我們學習、思考,以及作夢?如何讓我們充滿熱情或憤怒?如何讓我們騎腳踏車或瞭解紙上墨跡代表的意義?如何讓我們從一群吵雜的人聲當中馬上就聽出母親的聲音?精神分裂症、抑鬱症,或諸如阿茲海默症、多發性硬化症、慢性疼痛與癱瘓等可怕疾病患者的神經線路到底出了什麼問題?
我們正處於對人腦有全新認識的轉折點;一世紀來的傳統看法,特別是腦中神經元扮演的角色,將因此徹底改觀。一九九○年,科學家擠在暗室的電腦螢幕前看著資訊在奇怪的腦細胞間傳遞;它們不單跳過了神經元,同時還不使用電脈衝的溝通方式。在此發現以前,科學家一直以為腦中訊息只有使用電的方式經由神經元流動。事實上,我們腦中只有百分之十五的細胞屬於神經元;其他稱為膠細胞的腦細胞則一向遭到忽視,被認為只不過是電子神經元之間的填充物質罷了。它們被稱為「管家細胞」,給貶為做家務事的細胞僕人。打從膠細胞被發現以來,它們就遭到忽視,時間超過一世紀之久。
如今,科學家發現這些奇怪的腦細胞也會彼此相互溝通,這點讓他們驚訝不已。這些細胞不但能感知在神經線路中流動的電氣活性,而且還能對其有所控制。這些發現已經顛覆了科學家對於腦部的基本認識。
科學家怎麼可能這麼長時間一直忽視這另一個腦?由於膠細胞不會發出電脈衝,因此神經科學家用來監測神經元的電極探針聽不到膠細胞的傳訊。膠細胞不像神經元那樣以突觸連結成線路;它們不使用推倒骨牌的方式,將訊息一路傳遞下去,而是將訊息以廣播的方式傳遍整個大腦。
這些新發現將如何改變我們對心智的瞭解?當我們探索腦中這塊新領域時,是否能解開精神疾病如何讓人心智失常的奧祕?這項追求是否能找到如何讓腦部從疾病或傷害中復原的解答?
由膠細胞組成的另一個腦的發現就像初升的朝陽,照亮了腦科學當中的每一個層面,同時間影響了所有從事腦部研究的人。這是個仍在進行中的科學故事,其中有意外與轉折、洞悉與困惑、爭議與共識。一路上你會遇到一些真實但有趣的科學家,每個人都不一樣,甚至獨特,但他們都從事著一項最要求合作的人類活動:科學研究。
本書提供的資訊新鮮無比,大都還沒來得及進入教科書。這些資訊將改變你對腦部的認識,並提供重要的知識,幫助你以及你所愛的人維護健康。本書裝滿了神經科學與醫學的最新知識,透過參與其中的一位科學家雙眼,它將帶你身歷其境,親眼見識這一切。
 
 
 
 
第一章 填充泡泡還是神奇黏膠?
 
 
愛因斯坦的腦
 
劃下最後一刀,他將解剖刀丟入不鏽鋼盤,然後伸出雙手,小心翼翼地從掀開的顱骨內將腦取出。每次手中捧著人腦,總是引發他一連串有關死亡、個性、生物學、靈性,以及個人存在奧祕的澎湃思緒。就在數小時前,造成這位獨特個體的一切特性,都藏在這個重約一點四公斤、表面皺褶扭曲的組織中。雖然這位病理學家已歷經無數次這種感受,然而這回還是不同:眼前不銹鋼檯上躺著的大體,是愛因斯坦;他手中捧著的,正是愛因斯坦的腦。
他在明亮的燈光下詳細檢查這顆腦子。他懷著深沉的好奇注視著它,心想,這個果凍般被本身重量壓得有點塌陷、看來與其他人腦一模一樣的器官,是如何創造出上個世紀裡最出色的心靈呢?突然間,哈維(Thomas Harvey)醫師從這顆腦子看到了他自己的命運與目標所繫。這顆腦注定該是他的。
他小心地以生理食鹽水沖洗腦上的血跡,將其秤重並測量尺寸後,放入剛配好的百分之十濃度福馬林溶液中;他的眼鼻感受到一陣有毒的福馬林蒸氣刺激。在愛因斯坦這位偉人的身軀入土為安後,他那個非凡的腦子就像博物館裡某個特殊的標本,浸在裝滿防腐劑的罐子內,被一位無法抗拒衝動的病理學家據為己有,並藏了起來達四十年之久。這是不道德且違法的瀆職行為,然而哈維卻認為解開這個蘊育著超凡科學心智頭腦的祕密,是他個人對科學以及人類所應負的義務和天職。
雖然這位病理學家自封為那個無價科學瑰寶的守護者,但是該項工作卻遠超過他的能力所及。在之後的四十年內,哈維將切成小片的愛因斯坦腦子分送給世界各地的科學家和偽科學家,讓他們用不同的方法去探索愛因斯坦之所以是天才的蛛絲馬跡。
這個超凡的心智所構思出來的想法,超越了其他任何心智的想像能力;就算把相對論完整闡述及說明之後,也還是超越了許多心智的理解能力。這個心智得出了時間本身具有彈性的想法;時間與空間、質量與能量的界線因此變得模糊,彼此之間可以自由轉換;同時,時間可以按照事件而自由壓縮或擴展。而得出這份創見的,靠的就只是思想的力量:那個想像著自己乘著光束前進的心智。
在愛因斯坦的腦遭竊三十年後,有四小片腦塊來到任職加州大學柏克萊分校的一位傑出神經解剖學家黛蒙(Marian Diamond)手中。她擁有的小試藥瓶內,裝有四片從愛因斯坦大腦皮質刻意挑選的部位所切下的組織。按黛蒙的想法,愛因斯坦的天才都是與他非凡的抽象思考能力和高階的認知功能有關;如果說他的天才可在任何身體構造上看出的話,那必定是在大腦皮質負責這些認知功能的部位,而不會是皮質上處理聽覺、視覺或是控制運動等功能的所在;因為後面這些功能,在愛因斯坦身上並不突出。哈維早已將愛因斯坦的腦皮質切成小塊,並加以編號,然後以賽珞琔(celloidin)這種硝化纖維化合物包埋起來;賽珞琔硬化後,就像是困住昆蟲的琥珀一樣,將腦組織封在裡頭。黛蒙想要檢視從兩個聯合皮質取得的樣本,那是腦中用來分析和綜合資訊的地方。她要求哈維寄給她從位於額頭後方的前額葉區,以及從靠近耳後上方的下頂葉區取下的樣本,同時還必須從腦的左右兩側相同位置都取得樣本;那是因為大多數人的左右兩側腦半球偏重不同的認知功能,就像我們的左右手一樣,各司其職。
前額葉皮質負責規劃、短期記憶,以及訊息的概念化和歸類。惡名昭彰的前額葉切除術就是將這塊區域與腦分離,這麼做可保留病人基本的心智功能,卻失去了從經驗當中進行抽象思考與合成新知的高階認知能力,因此變得溫順。另外,黛蒙還索取了愛因斯坦下頂葉皮質的樣本,因為該部位與想像、記憶和專注力有關。這部分腦區受損的病人,尤其是位於主導腦半球的那一側(通常是左側),會失去識字的能力,無法拼字和計算。醫學文獻記載了一位數學家在該部位的腦皮質受損後,就很難用公式來陳述數學問題。
當黛蒙拿著裝了這四小塊乳白色、方糖大小腦組織的瓶子朝著燈光看去時,她內心好奇、興奮與期待的心情,完全沒有因為研究了一輩子人類大腦皮質的解剖而有稍許減弱;這些可是不同的組織,至少由它們萌生的心智確實如此。如果她能發現這些腦組織創造出愛因斯坦天才的奧祕,那麼這項發現將有助於我們瞭解連結心智和大腦的細胞機制,讓我們曉得人腦如何運作,以及那些心智生病的不幸人士又出了什麼問題。
黛蒙得找到合適的對照組來和這些樣本做比較。某些不確定的因素降低了一些她的興奮之情:雖然她的實驗室裡擺滿了一盒盒從許多不同人腦製作而成的顯微切片,但是愛因斯坦的腦就只有那麼一顆。愛因斯坦那個超級非凡、獨一無二的腦所意味的是,無論她得出什麼樣的結果,實驗都將無法重複。每位科學家在實驗結束時所面臨的惱人不確定性,將因為實驗沒有機會重複而更難克服。從任何數據所得出的結論,都可能發生錯誤,但唯有透過觀察、資料收集以及事實組合,科學才得以進步。要是不去檢視這些組織,會不會更好呢?
科學家面對實驗結果的不確定性,是利用數學方法來測量並計算對照組與實驗組之間的差異,看看出於偶然的可能性有多大。同理,在犯罪現場找到一根金色頭髮究竟有多大意義,可以由族群當中金髮人數的比例做部分評估。
黛蒙與同事決定著手研究這些腦組織樣品的細胞結構。為此,他們得將腦組織切到比一個細胞的直徑還要薄的程度,然後加以染色;這麼一來,他們就能在形成組織的眾多細胞中,分辨出單一神經元的結構細節。這些切片的厚度之薄,就算把十五片疊在一起,也才只有一根人髮的厚度。擺在黛蒙面前的,是一排裝滿鮮艷顏色溶液的玻璃皿,從深紫到閃粉紅不等,後者還會隨光線照射的角度不同而變成綠色,好似浮在水面的油膜一般。在得出一系列的組織切片後,她用非常細的毛筆把它們一一移入裝有染色液的小玻璃器皿中。
隔了一天,黛蒙把切片放在顯微鏡下觀察,陰影從一片迷霧中現身;突然間,聚焦的清晰影像映入她眼簾,就好像飛機準備降落時,穿過雲層後看到的都市全景。她看到的是愛因斯坦大腦某個皮質區的神經元,或許就是那個神經元將想像變成了可行的事實。問題是:它與位於愛因斯坦大腦皮質另一區,好比用來命令手指在紙上寫下數學符號的那些一般神經元,又有什麼不同呢?而這個神經元與她腦中相同位置的神經元,那個正為了思忖眼前的無價珍寶與奧祕,而在自己心緒線路中引發影像和思考火花的神經元,又有多相似呢?像這樣一個在顯微鏡下才看得見的細胞,怎麼可能如此徹底地改變了這個世界?這個細胞與牛頓腦中同一位置的神經元相比,又會有什麼不同?科技的發展是由數以千計的小進步累積而成,但科學進展有時又會出現觀念的巨幅躍進,好比哥白尼的太陽系統觀點,牛頓的重力和運動定律,達爾文的物種演化論以及愛因斯坦的相對論。這種大躍進的例子,伸出雙手十指就可盡數;而她眼前的這個神經元,就來自某個改變了世界的心
經過數日仔細地測量與計算細胞的大小與數目,黛蒙將資料加總起來,並與十一個對照組腦子相同部位取得的數據做比較;這些腦子都來自男性,年齡在四十七歲到八十歲之間。結果是:沒有發現任何差別。
從天才以及從一般人腦中取得的神經元,竟然沒有差別!再者,平均而言,愛因斯坦那個饒富創造力的大腦皮質,與不以創造力著稱的男性腦皮質相比,其中所含的神經元數目是相等的。然而在所有的資料中,倒是有個項目不同:在愛因斯坦大腦的四個部位中,非神經元的細胞數目都高到破表。平均來說,正常的腦組織標本中每兩個神經元會有一個非神經細胞,而愛因斯坦的腦子裡卻有雙倍的非神經細胞;也就是說,大約每一個神經元就有一個非神經細胞。數目差距最大的,是在愛因斯坦主導腦半球的頂葉區:抽象觀念、視覺影像和複雜思考都在那兒發生。這個發現是否純屬巧合?根據對照組樣品的變異範圍,黛蒙計算出這種差異屬於隨機出現的可能性;從愛因斯坦腦中各部位的取樣所得,她發現這種可能性很低。
黛蒙在愛因斯坦和常人的大腦之間,所能看到的唯一不同處,是在這些非神經細胞上。這會是天才的細胞基礎嗎?它們又是如何辦到的?這些稱作「神經膠細胞」(neuroglia)的非神經細胞,究竟是做什麼的?數十年來,這些神經膠細胞就只是被看成腦內的包裹填充泡泡,提供神經元實質依靠或養分供應的結締組織罷了。然而在愛因斯坦的腦中,這種細胞的數目卻多出很多。神經膠細胞與心智功能有關的推測,遠遠超出大多數神經科學家的思維框架。神經膠細胞的拉丁文原意是「神經黏膠」,也就是這個名字將這個框架黏封了一個世紀之久。
 
心智的盲點:藏在眼前的神經膠細胞
 
要想真正領會黛蒙的發現有何意義,我們得先瞭解神經膠細胞的一些基本事實,並曉得如今我們對人腦運作方式看法的源起。大多數人對神經系統的印象,是類似電話網路當中的一堆纜線,而且這種印象在過去一百年來幾乎沒有什麼改變。這種觀念根深柢固的程度,讓人很難想像神經系統還會有其他的運作方式,或無從想到這種觀念最初現身時被視為前衛基進;為此而引發的激烈爭議與辯論,長達四分之一個世紀。
 
一八五二年出生在西班牙一個醫生家庭的卡厚爾(Santiago Ramón y Cajal),是個有藝術天分的男孩,擅長繪畫並喜歡當時剛發明的攝影術,只不過這些嗜好追求無法為他贏得一份高薪的職業。在攻讀醫學學位時,他花了很多時間給他父親仔細解剖的大體畫出解剖圖。
卡厚爾三十三歲那年,在西班牙薩拉戈薩(Zaragoza)大學擔任解剖學教授。一八八七年他造訪馬德里時,看到一片神經組織顯微切片,是利用義大利解剖學家高爾基(Camillo Golgi)十四年前發明的技術染出來的,那張影像改變了卡厚爾的一生。他放棄了先前頗受敬重的細菌學研究,轉而擔任巴塞隆納大學正常和病理組織學的主任,並致力於改進及利用高爾基的染色方法,來揭開腦部的細胞結構。過去十四年來,由於高爾基染色法不夠穩定,因此沒有受到重視。這種染色法經常失敗,只不過一旦成功了,結果則讓人驚豔。
這種染色法的化學反應,與卡厚爾深感興趣的黑白攝影術是相通的。由於某種至今仍然不明的原因,僅有少數約百分之一的神經元會吸附上染劑;只不過一旦被染上,整個細胞就都呈了色,好似映照在冬日夕陽背景下的橡樹黑色剪影,所有細節都清晰顯現出來。要是這種方法把標本中所有的神經元都染上了色,反而會變得沒有用,因為裹在任何腦組織切片裡的神經纖維分枝,都將被染成一團無法辨識的糾纏。反之,卡厚爾看到的是清楚顯示的完整單一神經元,有如從岩石中剝離出來的化石一般。
今日,我們傾向於用電腦及電子產品來與腦做類比;但在電子世紀之前,流行的類比是不同的模式。在十九世紀,磨坊和工廠從河流及小溪引水來推動水車,以獲取動力;然後再以運河和小溪把水導入原來的河道。水力學是當時將力量做遠距轉移的最先進機制:只要控制連接供水線和水管的閥門,就可將動力引往需要之處。當時的人認為神經系統也以類似的方式運作:體內的神經就好比是相互連接的水管線,可將力量傳給任何的肌肉。透過顯微鏡,當時的人可在神經內看到數以百計的細管,於是想像它們彼此間都以控制閥互相連接,最終通向腦中的主汽缸。在顯微鏡下,還可看到腦內有數以千計稱作軸突(axon)的微細小管相互糾纏,形成白質區的徑束,在腦組織內穿梭。
這些徑束的源頭落在灰質區內,那是覆蓋在大腦扭曲表面的一層厚組織,就好似從綠花椰菜的主莖分出越來越小的分支,終點是花菜表面無數的綠色小花苞。高爾基染色法將稱作神經元的單一神經細胞給鉅細靡遺地呈現,但是這些構造細節要如何詮釋,卻有兩派科學家持不同看法。高爾基見到從神經細胞本體伸出、可投射至身體遠處的細長軸突,還會分叉並與其他軸突形成無數的連接,於是他認為這些相互連接的神經纖維所形成的網絡,就構成了傳達神經指令或傳導感覺器官輸入訊息所需的路徑。位於神經細胞另一端,高爾基看到了高度分叉並形成有尖細頂端類似小樹根的構造;由於其形狀類似樹,因此稱作樹突(dendrite)。他猜測,這些構造是為了吸取養分以維持神經細胞存活,並提供推動神經能量的動力之需;如今我們已知,該能量是在軸突網路中流動的電流。然而以相同的材料,用上高爾基發明的相同染色法,卡厚爾卻看到了截然不同的東西。卡厚爾提出了一個新理論,也就是如今為人熟知的「神經元學說」。
卡厚爾以一週七天、一天十六小時的狂熱進行工作。他檢視了取自各式各樣以及不同年齡動物的腦組織,還包括腦及身體的所有部位。他觀察過的標本來自人、兔子、狗、天竺鼠、大鼠、小鼠、雞、魚、蛙,以及動物胚胎。他以藝術家精確的觀察力,將神經元的輪廓描繪下來並仔細研究,並逐漸從那些結構中理出頭緒。他觀察到神經細胞類似電線般向外伸展的軸突,雖然可在腦中投射相當遠的距離,但是它們的終端總是落在樹突叢中,也就是神經元上類似小樹根的細小分支。經由某種觀念的飛躍,卡厚爾領悟到每個神經元並不是網上的一個節點,而是獨立的單元!尤有甚者,神經元的功能具有方向性。他意識到訊息在神經網內傳遞,並非像蜘蛛網上的振動那樣,朝各個方向輻射而出;反之,訊息在每個神經元是以單向傳導,就像在單行道上行走的馬車一般。訊息由樹根狀的樹突傳入神經元,指令則經由興奮的軸突,由細胞的另一端送出去。軸突並沒有與其他軸突形成網狀構造,而是來到另一個神經元的樹突。神經訊息以某種未知的方式,通過了軸突和樹突間的門檻,抵達下一個神經元;其過程就像把包裹放在接收神經元的門口,讓後者自行撿起。而前後兩個神經細胞的細胞質,並不像相連水管中的液體那樣是互通的。
介於軸突與樹突間的空隙,稱作突觸(synapse)。藉由控制訊息在軸突與樹突之間每個突觸的通過與否,腦便能以非常複雜的方式指揮資訊的流通,就像電話交換機處理通話一般。
卡厚爾成為二十世紀最出名的神經解剖學家,並與發明了那個重要的染色法、卻不同意神經元學說的競爭對手高爾基,合得了一九○六年的諾貝爾生理或醫學獎。卡厚爾以驚人的勤奮工作,得出一個又一個新發現;他發表了成卷有關腦部細胞結構的科學論文和專書,直到今日都還是豐富且具有價值的正確資料來源。然而卡厚爾畫作中略去不表的部分,卻同樣顯示出他過人的才氣。
每一個顯微切片中冗雜的細胞結構,經過卡厚爾藝術家的鑑別眼光過濾後,在畫作上呈現出來的都是去蕪存菁後留下的基本資訊。在複雜的腦結構荒野中披荊斬棘前進時,卡厚爾從來沒有畫出像火星運河或精子頭內小人之類的無中生有之物。他非常謹慎小心,從不會把不相干的東西混淆在一起。
在那些他看得清楚、卻總是被排除在神經元畫作之外的東西裡,有一樣就是神經膠細胞。他把這些細胞分開來畫,在多年的研究生涯中,這些奇形怪狀的細胞圖填滿了好幾冊的筆記本。這些細胞讓他著迷,但經由高爾基染色法所顯示的細胞結構,卻無法提供任何功能上的線索。神經膠細胞缺少線狀的軸突,也沒有樹根狀的樹突。在顯微鏡下,這些細胞看起來像是子彈射過玻璃所留下的破洞:圓圈在中央,邊上有細裂痕狀向外輻射所形成的暈輪。卡厚爾稱它們為「蜘蛛細胞」,因為從它們肥大的細胞體有許多原生質腿朝各個方向伸出。其他科學家認為這些細胞的形狀像星星,就稱它們為「星狀細胞」(astrocyte),這個稱呼沿用至今,是我們目前所知四種神經膠細胞之一的名字。不過卡厚爾看到的膠細胞,各種奇形怪狀都有,不一而足。有的像古怪的扇狀珊瑚,有的像沿著軸突串起的香腸。多數的權威學者認為這些非神經細胞是腦內某種形式的結締組織,用來填塞神經元之間的空隙。如果這些怪異的腦細胞有任何高階功能的話,卡厚爾曉得以他所擁有的原始工具是無法解開其中的奧祕。因此他很聰明地將這些細胞分開來畫,並在他的筆記本中以同樣的方式分開處理。他這麼做,似乎是在暗示未來的神經科學家回答下面這個問題:這另一半的腦到底是什麼呀?
 
傾聽中的膠細胞:揭開卡厚爾的祕密
 
九十年之後,我坐在一個小房間內,藍色的冷光從電腦螢幕映在我臉上。在我左邊是一張如撞球檯大小的大型不銹鋼桌,桌面約有二十公分厚,碩大的不銹鋼桌腳內有空氣活塞讓桌面懸浮,以提供精準、合乎光學要求且防震的桌平面。這張桌子上擺滿了互相連接的電子儀器,並以鏍絲牢牢鎖在桌上。這些儀器當中的冷卻風扇發出的呼呼聲充溢在空氣之中,間以這些大型儀器內部自動閥和葉門啟動時發出的喀嚓聲。來自隔壁房間一個洗衣機大小冷卻裝置的粗大黑色水管,將冰冷的水在紫外線雷射外圍循環,以降低其溫度,那是這套儀器的心臟。一條表面有皺紋、類似用於烘衣機的管子,則把有毒的臭氧蒸氣從小房間內抽排出去。
在桌子中央,擺著一個以鮮橘色透明塑膠玻璃製作、像櫃子一般大小的盒子,是用來保護我免於紫外線照射的防護罩。盒子內放置的,是這間房中卡厚爾唯一可能認出的東西:一臺顯微鏡。他大概會對這個製造精密的巨型儀器感到驚訝,那有他使用的顯微鏡三倍大,同時他所觀察的腦組織標本是以刀片自己徒手削切的。縱然如此,他應該會認得這顯微鏡的一些基本構造和組件,例如可移動的標本臺和兩個接目鏡,與他曾以孩童般的好奇向內注視的裝置類似。如今接目鏡的功能,差不多就只剩下在調整接物鏡下的標本位置時,讓人匆匆瞄上一眼;標本位置一旦固定後,通往接目鏡的葉門就會關上,把光線轉投至數位相機或是光倍增管,以強化微弱的影像,並將顯微鏡下的景象鮮明地顯示在電腦螢幕上。我則像直升機駕駛般以操控桿控制視野,在顯微鏡下的景觀中遨遊。
經由旋轉類似收音機上的調整鈕,我以光學「切片」的方式將細胞結構由上到下一次一層地剝離。我最先看到的影像是細胞膜上的一點,類似球從玻璃窗上彈回後所留下的汙痕。接著看到的是像用刀子將球頂切掉後,留下的一圈外圍;如此繼續往下一直切到細胞的另一頭。在此過程中,從細胞膜到細胞核的胞內一切微細構造,都給記錄下來。更讓人訝異的是,我用那臺先進光學顯微鏡檢視的細胞還是活生生的;它們取自小鼠胚胎,被分離成單獨的細胞後,在有溫控和供氧的實驗室培養箱中已生長了超過一個月;後者等於是一個人造的子宮。
卡厚爾應該可以馬上認出螢幕上顯示的影像是神經元。事實上,從其特殊的球形,他還可以正確指出那是負責將皮膚的觸、熱及痛覺傳至脊髓的感覺神經元,正式名稱是背根節(dorsal root ganglion, DRG)神經元。但是卡厚爾還是會對這些精確對焦的細胞影像感到困惑,因為那看起來是從薄到不可能的切片上所觀察到的影像。
戴上特殊的鏡片後,我看到的電腦螢幕搖身一變,成了一扇敞開的窗戶,那個單一的背根節神經元懸浮在三維空間中,宛如聖誕樹上的吊飾一般。我以手指觸動滑鼠,可將這個細胞順著任何軸線旋轉,以檢視細胞內最精微的構造細節。卡厚爾肯定會被我的這些動作給驚嚇到。
只不過好戲還在後頭。這是一臺雷射掃描式共軛焦顯微鏡,是我任職的美國國家衛生院下設研究所購置的第一臺。這臺顯微鏡與一般的光學顯微鏡不同,不僅能以光切片顯示清晰的細胞構造,還能顯示細胞的生化和生理反應過程,包括分子在活細胞內及細胞間的移動所攜帶的訊息和指令,從細胞表面的電性訊號到每個細胞的細胞核中心不等。在一九九四年,那是美國國內僅有的幾臺之一,只不過到今天,沒有任何一個主要大學的研究部門裡會沒有這種設備,而且多數大學還會有好幾臺。
 
來自深處的亮光
二十年前,我在聖地牙哥的斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)擔任海洋生物學家;每年夏天我會研究一種不為人熟知、叫做銀鮫的深海魚。這種魚隨著深層的冰冷洋流往上游,來到北太平洋靠近華盛頓州聖璜島(San Juan Islands)區域時,會上升到接近水表面;富萊德港海洋研究室(Friday Harbor Marine Laboratory)就座落在聖璜島上。每年夏天,從世界各處來的科學家集結於此,形成一個夏令營社區;在沒有外在干擾下,他們可以終日從事科學研究。某日我們正準備搭乘備有底拖網的漁船出海採集標本時,我注意到有幾位學生拿著捕蝶網在碼頭跑上跑下,他們興奮地將網伸入水中,撈取一種銀幣大小的維多利亞多管發光水母(Aequorea victoria)。這些漂亮的透明生物是富萊德港夏天海域常見的物種,但我不大能理解那些採集者為何會那麼興奮。其中一位學生回答了我的問題,告訴我他們對這種水母發出的生物光感興趣;有好些海洋生物都會發出冷光,通常是藍綠色的磷光。我問道:「哦,那你們是想瞭解牠們如何會發光嗎?」
「不是,那個部分我們已知道了。我們是想萃取那個接住鈣離子後會發光的蛋白質,然後把這種稱作水母素(aequorin)的蛋白質注射到細胞內,好研究鈣的流動。」
我馬上就明白了。電生理學家用極細的電極來研究神經活動:他們在顯微鏡下以微調器將電極精準地刺入希望記錄的神經位置。離子在神經細胞內的流動會產生生物電流,利用電子儀器將這種電流放大上千倍後,科學家便能從示波器的磷光屏幕上看到在神經線路中遊走的神經脈衝訊號,一如醫生在手術房以監視器追蹤病人的心跳。電生理學家想知道這些電流是如何形成並受到調節,他們也想知道在細胞內的眾多離子中,哪些離子形成了電流。這是一項困難的工作,他們的做法通常是在浸泡神經細胞的溶液中更換不同的離子,或是施以藥物來抑制細胞膜上讓不同離子(像是鈉、鉀或鈣等)進入細胞的某些蛋白質通道。
當這些科學家成功地運用這種技術之後,他們就會把水母的螢光蛋白注入神經細胞,然後在顯微鏡下觀察。如果有鈣離子流入或流經某個細胞,他們將會在流動的路線後面看到有綠色的磷光殘留,就好像飛機劃過晴空所留下的凝結尾那樣。這麼一來,科學家就能親眼看到活細胞內的生化和生理活動。他們看到的不只是示波器螢幕上一閃而過、顯示電流變化的綠色線條和光點,而是在三度空間內所發生的即時事件。
一轉眼,二十年過去了,如今我使用的背根節神經元經過一系列的溶液處理,讓它們吸進一種對鈣離子反應靈敏的人造螢光染劑,與從水母萃取出來的螢光蛋白類似。我把這些細胞養在底部配置有鉑電極的培養皿中,這樣我就可以給予背根節神經元微弱的電擊,使其產生脈衝

書籍代號:0LBB0009

商品條碼EAN:9789868962620

ISBN:9789868962620

印刷:黑白

頁數:432

裝訂:平裝

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