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從果蠅了解人腦,從小見大,以簡破繁!學習腦科學,頭好壯壯

人類可以操控記憶嗎?對大腦了解越多,就越能知道如何鍛鍊自己的腦袋,甚至找到操控記憶的方式,未來還有機會治療腦部疾病。
 
 

「如果做個問卷調查,有多少人知道自己的腦袋有幹細胞?比例也許不到1/10。再問大家幹細胞在那裡?知道的,可能只剩1/100。幹細胞又是如何補充產生新的腦細胞?我想一般人幾乎都不知道。」台灣雖然在腦神經科學基礎研究屢屢領先全球發表突破性新發現,但清華大學生命科學院院長暨腦科學研究中心主任江安世感慨表示,「大家都說自己很重視教育,教育的目的就是要改變腦袋,然而我們對腦袋的了解卻少到難以置信!」

 

人類腦神經細胞磁振造影(高角解析度擴散影像)。圖片 / NIH Image Gallery
▲人類腦神經細胞磁振造影(高角解析度擴散影像)。圖片 / NIH Image Gallery
 

身體要鍛鍊,大腦也要

 

大家也許會覺得這些有神經科學家懂就好,一般人知道這麼多有何好處?江安世指出,人的身上有各式各樣的細胞,大家都知道肌肉經過運動訓練,就會變得更結實強壯,因此健身房門庭若市;其實腦神經細胞經過訓練產生的效果,遠超過肌肉細胞,卻沒有人在鍛練腦神經細胞。大家都知道沒有辦法走路,要做復健;但是記憶衰退、甚至失智了,怎麼沒有人鍛練自己的腦袋呢?大家如果能夠了解腦部結構和運作機制,好處多到出乎意料。

 

隨著生命科學突飛猛進,人類壽命不斷延長,伴隨高齡化發生的腦神經退化疾病,成為21世紀全球共同面臨挑戰。「超過90歲以後,80%會有某種程度的失智;超過100歲以後,失智風險可能高達90%!」江安世強調,這也是世界各國為什麼在過去15年競相投入腦科學研究的主因,必須了解腦袋的運作機制,才能夠找到解決的方法。但科學家花了約100年才理解神經細胞如何透過蛋白質傳遞與接收訊息,要完全理解腦的功能、治療腦部疾病,就要先破解腦部最基本單元彼此之間如何運作,建立分子與細胞層次的腦神經網路圖譜。

 

AI的發展,有機會破解700萬年的不可能任務

 

然而人腦的錯綜複雜遠超過大家想像,美國神經科學學會2年前邀請全球頂尖科學家共同研究評估,即使是利用最先進的電子顯微鏡做連續切片,大概要700萬年才能破解人類腦神經網路圖譜。「不談錢,光看時間,這是多荒謬的天文數字!」不過江安世指出,科學研究經常隨著新方法誕生,出現quantum jump(量子跳躍),就像人類基因體解碼計畫,PCR(聚合酶連鎖反應)花10年做出第1個基因體序列,第2個做了1年多,第3個縮短到1個月,現在只要幾個小時。科學家普遍認為AI(人工智慧)的快速發展,可能超乎想像地縮短人類腦神經網路圖譜解碼進程。

 

在AI科技出現突破性發展前,科學家採取「從小見大,以簡破繁」的迂迴策略,利用果蠅研究昆蟲的腦部如何跟環境互動、控制身體行動,進而達到對人腦的了解。江安世帶領研究團隊在蟑螂身上找到NMDA(麩氨)膜蛋白,並證實果蠅的學習與記憶跟人類同樣需要 NMDA接受器,奠定了生物從最基本的昆蟲到人腦,神經細胞作用機制都類似的科學基礎,開啟全球破解果蠅腦神經網路圖譜研究風潮。霍華德休斯醫學研究所攜手GOOGLE歷經13年,斥資20億美元研究經費,預定在明年初公布人類科學史上最完整的果蠅腦神經網路圖譜。

 

果蠅腦神經網路示意圖。圖片 /  科技部Kiss Science
▲果蠅腦神經網路示意圖。圖片 / 科技部Kiss Science
 

從了解果蠅腦到了解人腦,用假記憶治療不好的記憶

 

「研究果蠅最終的目的是了解人腦。科學家把上帝創造最複雜的機器拆開,又重新組合,就知道他是怎麼做的,也可以知道零件故障要怎麼換俢!」江安世指出,雖然利用果蠅腦神經網路圖譜研究並治療人相關疾病還很遙遠,但「我們從研究果蠅知道昆蟲腦部的發育和運作機制,很多都跟人類一樣。果蠅的記憶有好壞之分,有興趣的事情,很快就記得;沒興趣的,就跟學生到補習班,讀了十幾次,才強勉記得。」了解機制、找出潛在刺激因子,就可以創造出快速記憶方法,提升孩子學習效果。

 

江安世強調,大家對很多事情都知其然而不知其所以然,如果每個人都能夠認識自己的腦袋,建立「brain awareness」(腦意識),就可以讓意志力獲得某種程度的適當發揮,作用機制其實就是腦科學的原理。曾有位長笛演奏家莫名罹患怪病,嘴唇經常在吹奏中途不自覺顫抖,遍訪國內外名醫都找不到病因,音樂生涯面臨中斷危機。江安世在某次聊天得知音樂家的困擾,認為這種症狀應該跟過度練習導致神經與肌肉「接錯線」,經年累月形成不好的長期記憶有關,過度不正常使用,強化了不該強化的訊號連接。

 
清華大學生命科學院院長暨腦科學研究中心主任江安世。攝影 /李宗祐
▲清華大學生命科學院院長暨腦科學研究中心主任江安世。攝影 /李宗祐
 

江安世建議音樂家每次練習時,感覺到嘴唇快要顫抖,立即停止吹奏,不管時間長短,就是不要讓嘴唇再跳。經過半年後,音樂家的怪病不藥而癒,快樂重返樂團。「嘴唇顫抖既然是過度練習長積累積的負面記憶,我們就製造假記憶來治療不好的記憶,讓嘴唇收不到到腦神經細胞傳遞顫抖的訊號,久而久之,顫抖訊號自然弱化、甚至消失,被不會顫抖的假記憶取代。」江安世說,類似的原理早就被應用在治療兒童弱視,利用遮眼平衡兩眼受到的光刺激,校正視力。這就是了解腦科學的好處。

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