2008-09-02

[專欄] 探索神經系統之鑰--電生理與神經科學 (下)

台大動物所 嚴震東教授 撰

生物電訊號的測量

極化現象、局部電位和動作電位,都可以用細胞內電紀錄(intracellular recording)的方法測出。通常使用非常微細的玻璃微電極(見圖五)插入細胞中測量。通常測的是電壓的變化,也可以測電流的變化。例如近十幾年來發明的紀錄一小塊細胞膜上電流出入情形的膜片鉗制(patch clamp)的方法(見圖六),就是在觀察一小塊細胞膜上一兩個離子通道的特性。


圖五:凌和吉瑞德使用的玻璃微電極針頭約0.3μm。


圖六:patch clamp 方法,使用玻璃微電極貼上細胞後,吸下一小塊細胞膜(A)。
膜內外施予一定的膜電壓(Vc),觀察通過細胞膜的電流(Ip)。實例如圖C,
此片細胞膜上只有一個離子通道,在記錄的半秒鐘內打開了兩次,
每次打開幾個毫秒的時間,通過2pA 的電流。


細胞膜電壓的變化,也可以在細胞外的組織間液中紀錄到。依照電訊號來源細胞數目的多少,可以區分為單一細胞紀錄(extracellular single unit recording)或多個細胞紀錄(multiunit recording)。當然電訊號夠大夠強的時候,例如電魚的電訊號,不必任何儀器就可以感受得到。一般生物體內不斷變化著的微小電訊號,還是可以用精密的電壓計從身體表面測量得到。依據電訊號的來源,稱之為心電圖(electrocardiogram)、腦波圖(electroencephalogram)、肌電圖(electromyogram)……等等(見圖七)。


圖七:常見的幾種生物電訊號的頻率與大小。AAP:動作電位,EMG: 肌電圖,
ECG:心電圖,EEG:腦波圖。

基本電生理實驗

由前述的歷史中,我們可以看出電生理實驗萌芽的很早,幾乎與電學的歷史相當。十八世紀末,加瓦尼、伏打就開始進行電刺激的實驗。心電圖始自十九世紀末,腦波圖始自二十世紀初。二十世紀二十年代發明了示波器。蓋瑟(Gasser)和厄茁吉爾(Erlanger)等人,立刻就用來測量神經上的電訊號,發現神經內粗細不同的神經纖維擔負著不同的功能。單一神經細胞電訊號的紀錄,始自無脊椎動物的巨大神經纖維(giant axon)。例如1952 年何杰金(Hodgkin)、赫肯黎(Huxley)等人,利用烏賊外套膜裡的巨大神經纖維進行一系列的實驗,證明動作電位發生的基本原因是細胞膜對鈉離子通透的能力發生了變化。
玻璃微電極的發明,一般歸功於1940 年代凌寧和吉瑞德(Gerard)。他們將玻璃管拉到零點幾個微米的粗細,成功地測量到青蛙縫匠肌內肌肉細胞的靜止膜電位。利用玻璃微電極,
後人也發現所有的生物細胞都有極化現象。
微小的電極能夠紀錄到一個神經細胞的電訊號,較大的電極能夠紀錄一整片神經組織的電訊號。將這些電紀錄的方法結合刺激和移除的方法,可以來研究一個神經細胞或一群同類的神經細胞(神經核),如何參與並執行動物體內的機能,如何達成動物表現的行為。
舉個例子來說,如果要證明神經核A 參與反射作用甲;那麼刺激神經核A 應該會產生反射甲的反應(充分條件);移除或破壞神經核A 後,反射甲無法再產生(必要條件)。紀錄神經核A內細胞的電訊號應該發現:細胞電訊號在反射作用產生時,有適時且是興奮性的變化,藉此可找出神經核A 如何參與在反射甲中。
利用上述非常簡單的設計或類似的設計,電生理學者已經解決了從分子層次一直到動物行為上的許多問題。就現階段來說,膜片鉗制的方法正被用來了解離子通道大分子開開和調節的奧祕;使用細胞內電壓和電流的紀錄方法可以了解細胞本身電生理的特性,可以偵測細胞與細胞間的興奮和抑制作用;使用細胞外電訊號紀錄的方法,正在探討神經細胞或神經核如何參與身體的機能;新一代的腦波儀和其他醫學影像的方法,可以看出腦中電、磁、血流、代謝,或化學分子的變化,用來探討一舉一動、一思一慮時,腦中各個細節的變化。


未來的展望
近年來基因工程的技術日新月異,幾乎可以隨心所欲的操縱細胞中的遺傳因子。似乎生物的主要問題,都是由分子生物的中心軸(central dogma,即DNA RNA 蛋白質),或這個主軸延伸出來的問題。
神經科學也隨著潮流將主力移入了分子生物。眼看著許多同事以及大多數學生都搭上了潮流的列車,許多電生理學者不禁自問:是否電生理已經越過了成熟的顛峰期,進入了「夕陽時期」,已經不再能有重大的突破,孜孜營營的只是在細節上補洞,只是在小數點下一位上作文章而已?
再仔細的想想,電生理實驗所問的問題當然有分子生物的問題。事實上膜片鉗制已經和遺傳工程攜手並進在探索離子通道分子上的奧秘。但是神經科學上許多重要的問題,卻不是分子層次的問題。像執行身體機能的神經網路,主要的問題是網路本身的架構。像知覺的產生或運動的控制,答案最可能來自同時紀錄多層次的許多神經細胞的訊號以及使用人工智慧來作模擬的工作。像智慧或創造力這些幾乎是難以捉摸的問題,最需要的是如何問適當的問題,如何找出接近問題核心的方法。
十九世紀末、二十世紀初許多物理學者,包括一些「大師級」人物公開的宣稱,物理學和化學上最基礎的定律都已經建立完成,物理和化學已經是「夕陽科學」了。就在這時期,出現了愛因斯坦、蒲朗克、波爾等人,革命性地改寫了物理和化學的基本定律。暫時沒有重大突破並不表示重大突破不再可能。事實上,以神經科學整個領域來說,現在比較像正處於大突破的前夕。分子層次的方法、組織器官層次的方法、行為學的方法以及計算機的方法,每一個層面都有新的發展。甚至玻璃微電極的製造技術--這種真像是「夕陽工業」的技術,都引進了雷射、微電腦等新材料,可以精密的製造各種形狀、各式大小的電極。工具的進展,就像是突破前的風信,預測著量變正要轉成質變。希望台灣的科學界也能在這將要來臨的「神經科學世紀」中,顯示我們的貢獻。


參考資料
l.吳照雄,1984,"Electric fish and the discovery of animal electricity", American
Scientist,72:598~607﹒
2.沈世傑 《台灣魚類檢索》pp.72~73 南天書局 1984 年出版
3.嚴震東 簡介神經系統的操作【科學月刊】十六卷五期 pp.325~327
4﹒嚴震東 神經科學專輯開場白【科學月刊】十六卷五期 pp.807~809

註:本文原載科學月刊。

1 則留言:

  1. aLUMNI3511@MAIL.NDMCTSGH.EDU.TW2011/2/18 下午9:08

    基礎報告.

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