研究「人的意識」的科學家過去曾因受限於影像解析度低而難以進展,最近由台大物理系教授朱士維率領的跨領域團隊,以光學顯微鏡成像技術研究「果蠅腦」得到突破。未來腦神經科學家可能以空間解析度高於過去的10倍(次微米到奈米)、高穿透深度(釐米)以及高時間解析度(毫秒),一揭人腦的奧秘。

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可觀察個別神經元

「大腦是人類最重要但了解最少的器官之一,而意識是什麼、記憶如何儲存與提取等正是當代最重要的科學問題。」台大物理系教授朱士維表示,團隊之所以會選擇果蠅腦,是因為其神經連結與人腦類似,但細胞數量(13萬)僅為人腦的百萬分之一,因此他們需要好的工具來觀察個別細胞的活動。

朱士維強調,團隊觀察的是「活體」果蠅腦,以了解神經元的連結與功能,因此影像技術必須同時考量對比、解析度、穿透深度與取像速度。清大生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安形容,這好比不只要研究高速公路的結構,連車子流動的過程都需一覽無遺。

兼具解析度與深度

朱士維指出,團隊發展出3項技術,第一是以毫秒解析度觀察三度空間神經動態行為的「高速體積成像系統」(兼顧影像深度與速度),並擴充自製光學神經激發系統,成功解析訊號連結路徑。

第二,以「深組織超解析光學技術」(對比、解析度與深度)結合螢光蛋白標定等,不僅可達λ(光波長)/20的解析度,還可發現神經纖維三維空間分布;第三,朱士維表示,傳統的雙光子光學顯微鏡只能看到果蠅腦部0.1毫米的深度,而團隊使用的「長波長三光子螢光」,則有機會穿透果蠅全腦。

今年年初由台灣、新加坡、澳洲、中國、日本和韓國等組成的SYNAPSE聯盟,挑戰繪製「人類全腦神經圖譜圖」。記者詢問兩項研究的關係,朱麗安回應,雖然SYNAPSE聯盟是採用同步輻射技術,且是研究非活體的人腦,但這兩項研究是相輔相成的,SYNAPSE聯盟研究的是高速公路的骨幹,他們則是探索上面的車子如何流動。

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