2008-09-20

[專欄] 系統神經科學的研究方法 (上)

台大動物所 嚴震東教授 撰

神經科學有個很重要的假設:「人和動物的感覺、運動、本能及心智行為,均源於神經系統的功能。」在這個前題下,神經科學的研究正不斷地發掘腦中各個部位的功能,以及各種行為及心智活動在腦裡的操作機制,本篇文章的目的在簡單說明:研究神經系統中網路功能的方法。
曾經看過或吃過魚腦、雞腦的人,也許會驚訝這麼小一塊軟趴趴、豆腐樣的東西,如何能擔負得起前述所付託的重大使命?反過來說,看過腦組織切片(見圖一)後,尤其是看過數十、數百張系列性的腦組織切片,另一個問題也常常會發生:這麼複雜的構造,如何去研究?

基本法則

我們先看如何研究腦中各個部位的功能。如果腦中的一小部分構造A 與甲功能有關係,則

1. 當A部分被移去時,甲功能受到影響;
2. 當身體執行甲功能時,A 部分的神經細胞有適時適度的變化;
3. 與A 部分有連結的其他腦內區域(如B、C‥ )也可能與甲功能有關;
4. 適當地刺激A 或B、C 等區域時,會引起甲功能的表現。

古典的方法

最早被廣泛試驗的是上列法則中1 和4 的毀除與刺激的實驗。例如十九世紀法國醫生布羅卡(Broca)綜合腦傷的病例,在大腦前葉的下側方找到語言區域 Broca's area。又如日俄戰爭時使用了子彈速度快、穿透力強的槍械,造成許多一小塊腦被破壞的病人。綜合一些視覺損害的病例,發現了視覺大腦皮層以及視覺大腦皮層內網膜投射區分布的情形。
運用刺激的方法研究的例子如加拿大外科野生Penfield,在進行腦手術時以電刺激病人大腦中央溝前後,證實如同猴子,人腦中央溝前方為運動大腦皮層,後方為感覺大腦皮層。
隨著電生理方法的發展(請參見《科學月刊》21 卷12 期922 頁(電生理與神經科學)-文),記錄腦中電訊號變化的方法被廣泛應用在腦功能的研究上。例如「誘發電位」
(evoked potential)記錄一群神經細胞的反應;「單一細胞紀錄法」記錄一個神經細胞的反應。圖二和圖三分別為誘發電位與單一細胞紀錄方法應用的例子。無論由群體反應或一個細胞的反應,都可以看出在主動的動作之前,運動大腦皮層的細胞先活躍起來,然後才見到肌肉的運動;支持運動大腦皮層控制肌肉的運動神經元這樣階層式控制的假說。
電生理的紀錄方法在時間軸上的解析力極強,但是在空間上常常只能作一點或少數點的紀錄。在1970 年代開始有人研究將隨著膜電壓變化顏色的染料打入細胞,用光學方法來快速測量一塊平面上極多點腦組織電訊號的變化。可惜這種方法只適合透明的或者表面的組織,應用受到極大的限制。

生物醫學影像法

近代「生物醫學影像方法」突飛猛進,已經可記錄各種行為及心智活動時,實驗動物或人的腦中各部位的血流量、代謝速率、特定基因表現量及傳遞物質的作用能力。代表性的方法有:2-DG、基因表現的組織化學染色、核磁共振顯像、PET 等四種,分別作簡單的介紹。

葡萄糖代謝速率

2-DG 方法的原理是利用葡萄糖的類似分子----2-去氧葡萄糖(2-deoxyglucose;2-DG)----騙過細胞膜上葡萄糖運送分子,進入神經細胞,讓醣代謝酵素加上第一個磷酸根後才被細胞認出是冒牌貨,無法繼續代謝;但又因為已經磷酸化了,無法吐出細胞外,因而在細胞內累積起來。累積的量與神經細胞使用葡萄糖的量有成正比的關係;也就是說,愈活躍的神經細胞在同一段時間中會累積愈多的2-DG。
如果在特定的功能表現前,我們給予實驗動物一定量、帶放射性同位素的2-DG,與此功能有關的腦的區域在功能表現時,便會吃進較多的放射性-DG 做腦切片及放射線的「自動曝光顯像」(autoradiography),即可找出腦中與此特定功能有關的所有區域。

基因表現

細胞活躍時,常常有許多基因伴隨著活躍起來,產生一些基因產物。可以利用組織化學的方法染這些基因產生的mRNA 或蛋白質產物,來尋找在特定功能變化時活躍起來的神經細胞。常用的一種基因為c-fos。fos 是一種致癌基因(oncogene),c-fos 是其在正常細胞中的相似基因(Proto-oncogene)。當細胞活性高時c-fos 基因也活躍起來,fos基因產物出現在細胞核中,因此可能與調控其他基因有關。在特定功能表現後,可以用免疫化學方法染腦中上fos 基因產物來找出與此功能有關的神經細胞。

註:原載科學月刊24卷538頁

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