Month: July 2016

大腦立體 Google Map 1.0

 

 

19世紀的德國神經科醫生布羅德曼(Korbinian Brodmann) 透過解剖學,分析大腦皮層的組織和細胞結構,把大腦半球的內外側定義為52個區域,稱為布羅德曼分區 (Brodmann areas)。這一百多年間,這些區域雖然在神經科學界經過廣泛的討論和修正,至今仍然是大腦硏究其中一個重要的基礎。

最近聖路易斯華盛頓大學的科學家透過磁力共振影像以及其他技術,把大腦半球勾畫出97個新的區域。加上之前報導的83個區域,他們把大腦半球重新定義為180個區域,這是有史以來最詳細的一項大腦地圖硏究。

大腦皮層 (cerebral cortex) 主管我們的記憶、語言、感官、意識和邏輯等功能。科學家利用磁力共振影像硏究210個健康年輕男女的大腦以及記錄他們的大腦皮層活動。他們利用不同的方法互相補足,希望從不同的角度檢查所得的數據。

科學家以髓鞘1 (myelin) 的分佈和密度勾畫出大腦的結構,並叫研究對象做一些基本的指令,例如記憶測試或聽故事,然後以功能性磁力共振影像 (fMRI) 探測某個區域和某種功能是否有關。跟着用fMRI分析不同區域的神經元在活動和靜止之間的分別,再連繫這些指令和磁力共振影像。最後利用電腦作大量的數據分析,並利用顏色代表不同的功能,例如紅色和聽覺有關,藍色和視覺有關,而綠色則和觸覺有關。至於其他混和的顔色,便是代表某兩種感官的功能重叠,最後製作出這幅大腦立體地圖。

他們更發現,當硏究對象在聽故事的時候,一個在「主要運動區」附近的一小區域 – 第「55b區」有很強的活動,和沒有聽故事時候的影像有很大的分別,因此他們推斷這個區域和語言有關。然而,科學家發現這些區域的界線並不像Google Map中的街道或大廈那樣清楚分明,而是逐漸過渡,反映出不同神經單位之間有不同程度的協調。

雖然這個研究令我們對大腦的認識加深,但大腦立體地圖的解像度仍然不太高,只能大概知道某一個部位負責某種功能。但是透過這類地圖,科學家可以進一步了解大腦某個區域的資訊,並嘗試透過大腦功能和結構和我們的行為之間找出聯系。這項硏究或許對精神病、自閉症、腦退化等疾病有新的見解。結果甚至乎可以應用在硏究其他靈長類動物,在認知上探究人類和這些動物有甚麼分別。

 

 

1一種包圍著神經元的白色絶緣物質

 

參考文章:

http://www.nature.com/news/human-brain-mapped-in-unprecedented-detail-1.20285

Glasser MF et al. A multi-modal parcellation of human cerebral cortex. Nature (2016) (DOI: 10.1038/nature.2016.20285)

 

Further reading:

Human Connectome Project 

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超級嗅覺鼠

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Whodenie / flickr

 

有沒有想過為甚麼你經過賣香水的地方會嗅到某種香味?或是你每天起床沖咖啡的時候會嗅到咖啡香味?那是因為這些氣味的分子經過空氣進入我們的鼻子,然後和嗅覺感受器 (olfactory receptor) 結合,訊號經過嗅覺神經元傳入我們的腦部後,腦部便告訴我們是那一種氣味。

但是我們的嗅覺系統非常複雜。雖然現在科學家已知道小鼠有大概1200種嗅覺基因,而人類只有大概350至400種。但至於那一類嗅覺感受器接收那種氣味,或者腦部如何分辨某種物質是甚麼氣味,科學界中所知的仍然不多。

其中一個關鍵的問題,便是同一種嗅覺感受器接收所有的氣味,還是不同的嗅覺感受器接收不同的氣味後,把訊號傳遞到腦部?在嗅覺研究中,科學家發現大約0.1% 嗅覺神經元連接着同一種嗅覺感受器。而同一種嗅覺感受器接收某一種氣味後,便會把有關的訊號傳送到腦部分析。

於是,美國Hunter College 的科學家嘗試問一個問題,如果能在小鼠身上大量表達同一種嗅覺感受器及神經元,那麼牠們會否對某種氣味的敏感度增加?他們利用基因改造的方法在小鼠的嗅覺系統大量表達一種名為 「M71」的嗅覺感受器,而這種嗅覺感受器可以探測到一種叫做苯乙酮 (acetophenone) 的化學物質。在螢光顯微鏡下,科學家確定基因改造的小鼠大量表達了這種嗅覺感受器。換算來說,如果普通小鼠100萬個的嗅覺神經元裏有2百個「M71」嗅覺感受器,那麼基因改造的小鼠便有1萬個 「M71」嗅覺感受器。他們甚至可以把人類的其中一種嗅覺感受器表達在小鼠身上。

那麼,如何測試增加了嗅覺感受器和神經元會否增強對氣味的敏感度?

科學家利用 「躲避行為實驗」方式來測試,他們把不同濃度的化學物質加入水中,而這些化學物質會令喝了這水的小鼠感到胃部不適。因此,如果小鼠能嗅出水中的味道,便會懂得迴避而不再喝水。結果發現,基因改造的小鼠比普通小鼠能嗅出低100倍濃度化學物質的水。實驗證明,增加了嗅覺感受器和神經元會增強小鼠對氣味的敏感度,從而避開牠們不喜歡的氣味。

超級嗅覺鼠有甚麼用途?硏究團隊解釋,這些能對某種氣味極靈敏的小鼠經過訓練後或許可以嗅到地雷或炸彈的化學物質,減少不必要的人命傷亡。由於他們也能成功把人類的嗅覺感受器表達在小鼠上,這種超級嗅覺鼠或者能為人類嗅覺的硏究提供一個重要的硏究平台。

 

參考文章:

Science. These ‘supersniffer’ mice could one day detect land minds, diseases

Charlotte D’Hulst et al. MouSensor: A Versatile Genetic Platform to Create Super Sniffer Mice for Studying Human Odor Coding. Cell Reports (2016)(DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2016.06.047)

如何製造一條魔鬼魚?

美國哈佛大學的生物工程學家柏加教授 (Prof. Kit Parker) 有一天帶着女兒到水族館參觀。當他的女兒想伸手觸摸水族箱裏的魔鬼魚的時候,那條魔鬼魚便逃跑了。這樣一個自然的動作令柏加教授有一個想法: “我們可不可以製造一個以肌肉為主的機械系統?”

接下來的日子,柏加教授和他的團隊便開始設計這條小型的軟組織機械魚。這條體積比一個五毫子還要小的人造機械魚,其實一點也沒有機械的成份。牠是由四層物料組成,包括最外層、以魔鬼魚為外型的3D彈性軟膠外殻丶一塊薄金片支架丶一層薄的彈性物料丶以及一層為數20萬、以纖維蛋白連着的大鼠心肌細胞。

心肌細胞是組成心臓肌肉的主要細胞,而心臓的跳動便是由這些心肌細胞有節奏的收縮及放鬆所帶動。心臓有系統的跳動便能把血液推向全身。科學家選擇這些細胞的原因,是這些細胞的收縮及放鬆的原理和心臓跳動的原理一樣,可以推動魔鬼魚的軟膠驅殻向前。

這條魔鬼魚既沒有安裝電池,也沒有其他發電裝置,牠是如何游動的呢?科學家利用基因工程使這些心肌細胞能對光源刺激有反應。因此,當光源放在魔鬼魚前面的時候,心肌細胞便能作出反應而收縮,並帶動魚鰭向下。而薄金片支架的設計,可以把細胞收縮的能量儲存,並在細胞放鬆的時候像彈弓一樣釋放出來,帶動魚鰭向上。

科學家利用光源,甚至可以控制人造魔鬼魚游動的方向,使之避過障礙物。不同頻率的光更可以令魔鬼魚有不同的游動速度。實驗證明,即使魔鬼魚“誕生”6天後,牠仍然可以保持最初游動的八成速度。

由於心肌細胞是由大鼠而來,因此人造魔鬼魚需要放在溫度37ºC的生理鹽水以及利用葡萄糖作為能源。但是細胞本身質地脆弱,也很受外在環境影響,而細胞生長到某個階段也會自然死亡,因此距離製造複雜和以活細胞為主的人造生物仍然有很大的挑戰。但肯定的是,這樣的一個可以自我推動的半生物合成體,會對製造人工心臓或人工生物的研究踏上重要的一步。

參考文章:

http://www.sciencemag.org/news/2016/07/robotic-stingray-powered-light-activated-muscle-cells

Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray (http://science.sciencemag.org/content/353/6295/158)

雕蟲…絶非小技

Orchid Cuckoo Bee.jpg
Photo credit: Levon Biss

昆蟲對一般人來說,可能只是一些煩厭而無關痛癢的小動物。但對於英國人畢士 (Levon Biss) ,昆蟲是他攝影生命的一個重要部份。

畢士是一名專長攝影運動人像的專業攝影師,他的作品亦曾刊登於時代雜誌封面。畢士經常外出公幹,他希望有些攝影項目可以在他不用公幹的空檔去做。由於家裏空間有限,他只能拍攝一些體積較小的對象。有一天他的兒子在花園捉了一隻昆蟲,便促成了他拍攝一個以昆蟲為題材的微雕塑計劃(microsculpture)。

畢士利用他那3600萬像素的攝影機接駁到一個顯微鏡,然後把昆蟲分為大概30個部分。由於微距攝影景深有限,為了能拍攝超高解象度的微距相片, 畢士拍攝完一個圖像之後,把相機推前10微米(即大概頭髮直徑的七分之一的距離) 才拍攝下一幅相片,最後像砌圖一樣把每一幅相片拼貼起來。一幅完整的昆蟲作品大概由8千至1萬幅這些微距相片合併而成,而拍攝昆蟲不同部份 (例如眼或觸角) 的光源都要重新調較,他更要把拍攝下來的立體影像壓成二維影像。一幅昆蟲作品大概需要2至3個星期才能完成。

畢士分享部份圖片給牛津大學自然歷史博物館昆蟲部館長賀根博士 (Dr. James Hogan) ,當畢士把昆蟲圖片在電腦屏幕上放大再放大的時候,作為昆蟲學家的賀根博士看到那種鉅細無遺的昆蟲結構,實在令他感到驚訝。

牛津大學自然歷史博物館擁有全英國第二大的昆蟲收藏量。賀根博士決定借出部分收藏讓畢士拍攝。但選擇甚麼昆蟲作拍攝用途一點也不容易,因為選擇的條件要考慮昆蟲的形狀丶顏色以及樣本的完整性等。而樣本也不能太過脆弱,並能容易清理,因為即使一粒微塵也能影響圖片的質素。

整個項目歷時兩年。畢士及博物館都希望把這些相片舉辦一個展覽,讓市民大眾可以用一個全新的角度認識昆蟲。為什麼這麼小的昆蟲竟然有這樣精細的結構? 某些結構是否有特別的功能?也許透過這種特別的微距攝影技術,可以讓大眾丶甚至昆蟲學家對昆蟲有前所未有的看法。

昆蟲微雕塑作品現正在牛津大學自然歷史博物館展覽,在英國的朋友有空可親身看看,或到以下網址欣賞部份作品。http://microsculpture.net/

(Photo source: Levon Biss)