(2009東元獎聯誼會大腦演講座談會:洪蘭教授、江安世教授、邱文達校長)


「極速增益你的腦」—清華大學講座教授江安世演講記錄

我太太叫我講點有趣的東西,不要老是談基因和網路,我說我做研究就是作基因和網路,不談這個要談什麼呢?她交代我一個功課,要我從家中的小狗維尼談起,牠是柯基犬(一種牧羊犬),剛開始我疑惑腿如此短怎麼牧羊呢?後來發現牠很喜歡跑來啃人的腳後跟、用身體擠你的腳,原來就是這樣牧羊的。此例可呼應剛剛洪蘭教授講的,動物有很多天生的行為,也反應在我們人身上,神經系統有先天的程式和後天的可塑性,研究大腦最有趣的地方就在這裡,尤其是去了解可塑性到底有多大。

我們的腦袋大概有一千億個神經細胞,每個細胞會跟其他兩千個細胞連結接觸,這種天文數字研究起來很困難,還好自然設計生物大腦的系統很相似,打個比方,要研究超級電腦很複雜,但要研究掌上型的計算機就比較簡單,果蠅大腦只有十萬個神經細胞,跟人一樣都有生老病死和交配需求,最近也發現果蠅學習記憶使用的分子跟人相同,我們便可用果蠅當模式生物,研究人類怎樣睡覺、記憶、控制性行為、分辨性別等,這些都是由單一神經細胞形成的大腦神經網路所控制,基因大原則從人類到果蠅都一樣。

基因控制天性,果蠅有打架基因

過去十年科學界已經完成包括人類等許多生物的基因定序,今日科學家已經可以隨心所欲去操控果蠅的任何一種基因,發展出精密工具深入到腦袋的任何一個神經細胞去研究,從而了解生物行為。基因如何控制行為?有個伊索寓言說,蠍子請烏龜載牠過河,游到一半蠍子忍不住螫了烏龜,臨死前烏龜問蠍子:「你為何要螫我呢?我沉下去不是兩個都死嗎?」蠍子就很無奈地回答:「我也不願意,但這是我的天性。」這凸顯基因規範了一些天生特定行為,是無關生物意願的。

最近跟我合作的哈佛大學實驗室找到果蠅的打架基因,發現果蠅跟人類打架很像,有各種姿勢,先是互相威脅,隔著一段距離互瞪,如果還是看不順眼就開始打架(boxing),甚至打到站起來,公果蠅作的事好像我們在人類社會裡每天都看到,打架是為了爭奪地盤、食物和交配等資源分配權。母的果蠅會打架嗎?也會,但不會打到站起來,而是互相推擠,打到在地上滾。果蠅還會認得上次打輸的對象,第二次碰到就不會浪費力氣了。透過一連串觀察,研究者漸漸理解果蠅的打架基因是怎麼運作的。



科學家也在果蠅身上找到同性戀基因,公果蠅和母果蠅身上帶有不太一樣的蛋白質,如果改造一個基因讓公母果蠅身上的蛋白質互換,原本追逐異性的果蠅就會改追逐同性。最近幾年類似的實驗很多,例如睡眠基因,原本讓果蠅48小時不睡就會死,但改造睡眠基因,牠就可以不睡覺,將環境日夜顛倒也會出現時差。目前研究者正在了解腦袋網路怎樣控制基因表達,想知道究竟哪一個基因操控了哪一個神經細胞,又如何影響行為?

終極解碼:人工模擬數位大腦

一個腦科學家的夢想就是全面理解大腦的運作網路,就像搞懂電腦一般把每個晶片和每一線路都掌握得很清楚,包括我在內的腦科學家想聯手組出一個可模擬果蠅真實大腦的數位大腦,目前大約完成10%。我在國際會議報告這個計畫時,發現DNA雙螺旋結構而聞名全球的諾貝爾生醫獎得主詹姆斯華生(James D. Watson)就坐在台下聽,華生教授說他這一生最看重的四件事:解開 DNA 雙螺旋結構、發展冷泉港實驗室、啟動人類基因定序計畫及破解大腦神經網路。前面三件事都做到了,第四件事他從果蠅大腦計畫看到實現的可能性,明年四月他將親自到台灣了解相關發展。微軟公司最近幾年每年捐一億美金研究大腦網路,陸續有其他幾個大單位投入,最後哪一個會成功不知道,但每個都在往前進步。

另有一群腦科學家在尋找改變學習記憶能力的基因並希望研發新藥物,目前增進記憶力的藥物都是針對有失億症的病患,且難免有副作用,尚有諸多問題需要克服。每天的記憶都在改變你的腦袋,神經細胞隨時在接受刺激而改變,外在訊號又多又雜,連續刺激的訊號才容易留存。

果蠅實驗證明:學習需要休息

有個科學家設計了測驗果蠅記憶的儀器,將某種味道和電擊連結,若果蠅記憶是好的,就會記得不會觸電的味道。他發現果蠅學一次很容易忘掉,但若連續學十次中間沒有休息也很容易忘掉,中間若有休息(每次15分鐘),就會形成長期記憶的蛋白質。

學習中間到底要休息多久?前陣子國內曾有下課十分鐘要不要縮為五分鐘的討論,其實需要科學佐證。例如有種類似唐氏症的「Noonan Syndrome」會造成記憶缺失的學習困難,在人類和果蠅身上都能發現,科學家發現患有此疾的果蠅需要休息比較長的時間,例如剛講的果蠅實驗休息15分鐘,Noonan Syndrome果蠅只要休息40分鐘,記憶蛋白質就能跟正常果蠅一樣。這個實驗的啟示是,每個人需要的休息時間不太一樣,好的教育系統應該要研究出每個學生適當的休息時間再制定下課時間。


「大腦相關疾病的醫療保健」—台北醫學大學邱文達校長演講記錄

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