由嬰兒尿布所啟發的大腦研究新法

合成神經生物學家埃德·博伊登教授想知道：腦中微小的生物分子如何產生情緒、思想和情感呢？他想找出：是哪些分子的改變導致了癲癇、阿滋海默症這些腦異常疾病呢？以前的神經科學研究，用光學顯微鏡觀察，發現了腦神經元，但不足以看進裡面的生物分子或神經連結。他反向思考，是否能把這些微觀結構脹大而不失原狀，以利觀察呢？用於製造嬰兒尿布的可膨脹聚合物，成了更了解我們的大腦的關鍵。

大家好。

今天我帶來了嬰兒紙尿布。

過一會兒，你就知道為什麼了。

嬰兒紙尿布有個有趣的特性。

加了水，它們會脹得極大，

每天有數百萬計的小孩子親身實驗。

（笑聲）

膨脹的原因

是它們的巧妙設計。

它們是用可膨脹的材料做出來的。

若你把水加到這種特殊材料中，

它會脹的碩大，

體積約脹大 1000 倍。

這是個非常有用的工業類型聚合物。

我在麻省理工學院的研究團隊

正嘗試要類似地把腦脹大。

我們能否把腦脹大，

大到能夠往內面窺視，

看裡頭的小組件、生物分子，

看它們在三度空間的組合方式，

腦的結構，裡面的實況？

如果辦得到，

也許我們能更理解腦的組織，

它是如何產生思想、情感、

行動和感覺。

或許我們能嘗試準確地查明

那些導致疾病的大腦變化；

像是阿滋海默症、癲癇，
和帕金森氏症這些疾病，

只有少數療法，談不上治癒；

我們往往不知道
那些疾病的原因、起源，

以及是什麼引發了疾病。

我們在麻省理工學院的研究小組

正嘗試採取不同的觀點，

有別於過往百年研究
神經科學的方法。

我們設計。我們發明。

我們正嘗試找出和開發技術

讓我們能審視和修復大腦。

原因是

大腦令人難以置信地複雜。

回望腦神經科學研究的
第一個百年，我們得知了

大腦是個很複雜的網路，

由稱做神經元的專門細胞

以複雜的幾何形狀連結而成；

電流通過這些形狀複雜的神經元。

此外，神經元被連接在網絡中。

它們通過被稱為突觸的小小連接口

交換化學物質，
讓神經元彼此間交流訊息。

大腦有著不可思議的高密度。

在每一立方毫米的大腦中

約有十萬個神經元，

可能有十億個連接。

十億個還不止。

如果你能拉近神經元放大看，

當然，這僅僅是藝術家的描繪，

你會看到成千上萬種的生物分子，

這些三度空間、奈米級的小結構，

合起來斡旋調停電脈衝
和交換化學物質，

使得神經元一起

產生思想、感覺等等。

我們不知道大腦中的神經元

如何組織成網路，

我們也不知道生物分子

如何在神經元中

形成這複雜、有秩序的機制。

若我們真想了解，

就必須有新的技術。

若我們有這圖譜，

若我們看得到分子和神經元的構造，

看得到神經元和網路，

也許我們能真正了解
大腦如何傳送來自感官區的信號，

混合情緒和情感，

以及產生決策和行動。

也許我們可以確切查明
腦病變中發生的分子改變。

一旦我們察覺分子如何改變，

不論是數目增加或是型態改變，

我們可以把這些
當作病灶來開發新藥，

以新的方式把能量送到大腦，

修復受腦疾折磨的患者的腦。

上個世紀有許多技術

嘗試面對這個問題。

我們都見過核磁共振成像儀
被用來掃描腦部。

它們適用於研究活生生的人體，

不具有侵入性。

但同時，它們的成像粗糙。

這些斑點，或者稱為立體像素，

可能含有數以百萬計的神經元。

這樣的解析度

不足以查明是哪些分子的改變

或哪些網路連結的變動，

這些網絡連接使我們
身為有意識的強大生物。

在另一端，有顯微鏡。

顯微鏡以射入光來看微小的東西。

數百年來被用以觀察
像細菌這樣的小東西。

就神經科學來說，

約 130 年前用顯微鏡
首次發現了神經元。

但是光本身有限制。

用普通的舊式光學顯微鏡
無法看到單個分子。

看不到這些微小的連接。

因此，如果要踏踏實實、
更加強而有力地觀察大腦和其結構，

我們需有更好的技術。

數年前，我的研究小組開始思考：

何不反向操作呢？

如果要近看大腦是這麼複雜，

難道我們不能把腦變大嗎？

起頭的是我組裡的兩個研究生，
陳飛和保羅·提博格。

現在我組裡的許多人都幫著做。

我們嘗試聚合物──

像是嬰兒尿布中的東西──

把它放在大腦中。

如果做得恰到好處，加入水，

就可能把腦放大到這種地步：

足以把小生物分子個別地分辨出來。

可以看到那些連結而得到腦的圖譜。

這可能相當戲劇化，

所以我們準備了小小的示範。

我們取得一些嬰兒尿布的純化原料。

購買它比從紙尿布內
取出幾粒原料來要容易得多。

我只放入一茶匙純化的聚合物。

然後加入一些水。

接下來，

這一茶匙的尿布材料

體積膨脹了。

在你眼前，它的體積變成約千倍大。

雖然我可以倒入更多的水，

但你們都已明白

這是一種非常有意思的分子，

如果適當地使用，

或許我們真能以
前所未能的技術來近觀大腦，

好。說明一點點化學原理。

嬰兒尿布的聚合物裡是怎麼回事？

如果你能拉近放大，

可能就如同你在螢幕上看到的。

聚合物是原子排成的細、長鏈。

該鏈非常微小，

大約是生物分子的寬度，

這些聚合物非常密集。

它們之間的距離

大約是生物分子的大小。

這非常好，

因有足夠的空間可以把大腦中
每一樣東西的距離拉遠。

如果我們加入水，

這可膨脹的物質吸了水，

聚合物鏈彼此間的距離就拉遠了，

整個體積變得更大。

由於這些鏈是如此的渺小，

而且原本的間距
只有生物分子那麼一丁點大，

所以我們能讓大腦脹大，

大到足以被觀察。

奧秘在於：

我們怎樣把聚合物鏈置入大腦中，

讓我們得以拉開生物分子的間距呢？

如果做得到，

或許我們就能得到腦圖的實況，

可以窺視大腦迴路，

可以窺見裡頭的分子。

我們準備了動畫來解釋，

此處看到的是藝術家所詮釋

生物分子的概貌和可能的分開程序。

步驟一：首先要在

每一個以棕色示意的生物分子上

黏上一個小錨，小把手。

為了把腦中分子彼此的距離拉遠，

我們需要小把手

以讓聚合物結合分子，

讓它可以施力。

如果你只把嬰兒尿布的聚合物

傾倒在腦上，

很顯然，它就只會堆在腦上而已。

因此，我們需要找個方法
讓聚合物進到腦裡面去。

這正是我們幸運之處。

事實上，若把被稱為單體的基本組件

放到腦裡面，

它們就會觸發化學反應，

然後在腦組織裡形成這些長鏈。

它們會纏繞生物分子

也會佔住生物分子間的空隙，

形成複雜的網

讓你終於能把這些分子拉開。

在有小把手的地方,

聚合物會黏住這些把手，

成為拉開分子的施力點。

好吧，來到關鍵時刻。

我們得先用化學物質
處理樣本以鬆開分子，

然後加水，

這個會膨脹的材料開始吸水，

聚合鏈移動開來，

生物分子隨著一起移動。

就像在氣球上繪圖，

然後將氣吹入氣球，

圖案相同，

但是墨水粒子的間距拉遠了，

這就是我們所做的，
不過是在三度空間裡。

還有最後一技巧。

如你所見，

我們把所有的生物分子都標成褐色。

這是因為他們看起來是一樣的。

雖然生物分子的組成原子相同，

但順序卻可有差異。

最後，我們還要使不同的生物分子
能用視覺辨別出來。

用發光的染料
作為區分他們的小標籤。

將某一種生物分子染成藍色，

而另一種會染成紅色，等等。

這就是最後一步。

如此，我們就可以看到腦

和各個分子，

因為我們把分子拉得很開，

所以可以分辨彼此。

成功的希望繫於
我們把不可見的變成可見的。

我們把小而模糊的東西放大，

大到它們看起來
像是生命信息的星座圖。

這是大概模樣的真正影片。

碟裡放著小小的一個腦──

其實是一小片腦。

我們已在裡頭注入聚合物，

現在要加水。

你眼前將看到的是──

以 60 倍速放映的影片──

這小片腦組織將會脹大。

它的體積將會脹成百倍或更大。

酷的是，因為聚合物是如此渺小，

我們將能均勻地分開生物分子。

是平整的擴張，

資訊信息的組態不會失真，

只是變成更容易被看得到。

取一實際的大腦神經組織──

例如與記憶有關的這一部分──

拉近放大。

我們開始能看到實際的
神經電路構造。

也許有一天我們也能
讀出記憶的內容。

也許我們能真切地看到
處理情緒的神經電路組織，

腦內的神經怎樣連結，

使我們成為我們。

當然我們也希望

能精準到分子層次地
查明腦病的問題。

試想，若我們真的深入到腦細胞裡，

哇，並且查出是腦組織中的
這 17 個分子病變

而產生如癲癇、

帕金森氏症，

或其他種類的異常？

如果我們有系統地把變異列表，

就可以當作治療的靶點。

我們可以針對那些標靶製藥。

或許我們能集中精力
研究不一樣的大腦部位，

以幫助世界各地罹患帕金森、癲癇
或其他病症的十億人口。

一些有趣的事已經發生了。

在整個生物醫藥界還存在著

這個擴張大腦的方法
可以助益的其他問題。

這是個實際來自
乳腺癌患者的活體組織切片。

若你檢視癌症、

免疫系統、

老化、

發育──

這些過程都與
大規模的生物系統有關。

當然，問題始於奈米級的分子，

和細胞、身體器官規律運行的機制。

我們正試圖釐清

是否真能用這技術描繪出

各式各樣疾病中
基礎生命結構組成的脈絡。

我們能否精確地定位
腫瘤的分子變化，

以巧妙的方法追尋並發展出

能殲滅我們要殺死的
惡細胞的藥品呢？

要知道，很多藥的風險非常高。

有時候，使用它只能聽天由命。

我希望把大膽、高風險的藥品開發

轉成更可靠的方式。

如果仔細想想原先的登月，

真正地登陸月球，

乃基於紮實的科學基礎。

我們明瞭重力；

我們了解空氣動力學。

我們知道如何建造火箭。

科學的風險得到控制。

至今登月仍是個偉大的工程壯舉。

但在醫學上，
我們未必了解所有的定律。

我們有類似重力，

類似空氣動力學的所有定律嗎？

我認為，以我今天所談論的技術。

也許某天我們真的能夠
導出那些定律來。

我們能描繪、測繪生命系統的模型，

找出克服疫病的方法。

内人和我有兩個年幼的孩子，

身為生物工程學家，我有個心願，

希望孩子的生命能比我們的更美好。

我希望我們能把生物學和醫學

由偶然和運氣支配的高風險努力，

轉向為技藝和辛勤工作的贏面，

那麼這將是一個巨大的進步。

非常感謝。

（掌聲）