尿布材料讓科學家更好觀測大腦結構？

最新 06-10

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身為一個生物工程學家，我有個心愿是，希望孩子們未來的生活能比目前我們的更美好，我希望我們能把生物學和醫學的研究，轉化為能夠改變生活質量的工具。

And my hope is, if we can turn biology and medicine from these high-risk endeavors that are governed by chance and luck, and make them things that we win by skill and hard work, then that would be a great advance.

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演講實錄：

會膨脹的尿布，新創意的開始

今天我帶來了嬰兒紙尿布，而嬰兒紙尿布有些很有趣的特性，比如加水會膨脹。這一特性也被數百萬的小孩所證實。

尿布中含有超強吸水高分子聚合物（Superabsorbent polymers）遇水便膨脹（圖片來源：ResearchGate）

但尿布會膨脹，源於其巧妙設計。它們是由可膨脹的材料製成：如果把水加到這種特殊材料中，它就會瘋狂地膨脹，體積約脹到1000倍，這是個非常有用的工業類聚合物。

大腦的神經網路圖，藥物開發的靶點信息

我在麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的研究團隊想要嘗試用類似的方法讓大腦膨脹，試試我們能否通過添加何種聚合物，讓大腦膨脹，使我們能窺視它的內部，查看清楚裡面的結構網路和組成成分。通過更好了解其三維空間的組合方式，更好地看大腦的結構和裡面的狀況，也許我們能更理解腦的組織，理解它如何產生思想和情感，行動和感覺。或許我們可以知道究竟是什麼產生了變化，導致大腦發生病變，如阿茲海默病、癲癇和帕金森病等。目前，應對這些疾病的手段十分有限，極少人可以被治癒。

我們在麻省理工學院的研究小組正嘗試採取不同方法，這些觀點有別於過往百年研究神經科學的方法。我們正在嘗試怎樣發明出新的技能，讓我們審視和修復大腦。

在腦神經科學研究的第一個百年，我們了解到大腦是個很複雜的網路，由神經元的特殊細胞以複雜的幾何形狀連結而成，電流可以通過這些形狀複雜的神經元。此外，神經元通過突觸的微小連介面來交換化學物質，進行彼此間訊息交流。

大腦有著不可思議的高密度：在每一立方毫米體積大小的大腦中，約有十萬個神經元，十億個連接。當然，如果你隨意將一個神經元放大的話，你會看到成千上萬種的生物分子。這些立體3D、納米級的結構共同作用產生電脈衝，並交換化學物質，使神經元相互作用以產生想法、感覺等等。

我們不知道大腦中的神經元是如何形成網路系統的，我們也不知道生物分子是如何在神經元中形成這複雜有序的機制的。如果我們真想理解這些問題就必須有新的技術。倘若我們有很好的成像技術，讓我們看到神經元的構造和神經元網路系統，那麼我們就能真正了解大腦是如何傳送來自感官區的信號，從而混合入情緒和情感以產生決策和行動。

同時，這也能幫助我們確切查明病變大腦中產生變化的分子，我們可以以此作為新葯開發的靶點，幫助受腦疾折磨的患者，修復它們腦中受損的地方。

小的顯微鏡，大的成像儀，窺探大腦的網路結構

上個世紀有許多技術都嘗試要解決這個問題。核磁共振成像儀繼CT後醫學影像學的又一重大進步，可用於醫學臨床檢測。並且，其不具侵入性，可用於活體研究。

核磁技術觀測大腦的結構（圖片來源：UCSD)

另一項儀器是顯微鏡，光源來觀察微小的東西，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，我們首次使用顯微鏡發現神經元，大約是在130年前。但這仍有很大局限性，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。所以，如果我們要用更精細的方法，來觀察大腦的結構。

逆向思維，變革神經網路的研究

幾年前，我的研究小組開始思考，何不反向操作呢？如果想試著拉近距離去觀察大腦這麼費勁，我們為什麼不把大腦變大呢？開始這個項目的是我組裡的兩個研究生參與，而現在有更多人加入進來。我們嘗試利用聚合物，就是嬰兒紙尿褲中的那個材料，把它放在大腦中。如果做得恰到好處，再加入水，就可能把大腦放大到足以把小分子個別地分辨出來的程度，這樣你就可以看到腦中那些(神經元)連結的圖像。

需要解決的一點是，我們要如何把聚合物鏈置入大腦中？如果做得到，或許我們就能得到大腦圖的實況，觀察到大腦的神經網路體系及裡面的生物分子狀況。為此，我們準備了一個動畫視頻來解釋這一點，在這個藝術家的作品中，我們可以看到生物分子的樣貌。步驟一：首先我們要做的是在每一個棕色的生物分子上粘上一個小把手，小把手想要把大腦中分子之間的距離拉遠，我們需要利用這些小把手，讓聚合物和分子連接起來，讓聚合物產生效應。

如果只把尿布中的聚合物直接倒在大腦上，很顯然，它們就只會堆在上面而已。因此，我們需要找個方法讓聚合物進到大腦裡面去，在研究過程中我們特別幸運，發現我們可以利用該聚合物的"單體"，將其放置大腦裡面。它們就會觸發化學反應，然後在大腦組織里，形成細長的鏈條，這些鏈條會纏繞住生物分子，也會佔住生物分子間的空隙，形成複雜的網路。最終，這可以使大腦中的分子被拉開，在有小把手的地方，聚合物就會粘住這些把手，正好可以成為拉開分子的施力點。

我們得先用化學物質處理樣本，讓分子彼此分散開，然後加水，這個會膨脹的材料會開始吸收水分，聚合物鏈條會移動開，這一次，生物分子也會跟隨著一起移動，就像一個被畫了圖畫的氣球，如果被吹大，氣球上的畫還是同一幅畫，但是上面的顏色分子間的距離被拉大了，這正是我們所做的，不過是在三維空間里。

我們願望是把不可見的變成可見的，把小而模糊的東西放大，並且不停地放大，直到它們看起來像是生命信息的星座圖。這個視頻正可以展現這個過程，碟里放著一個小小的腦，實際上是一片腦標本的切片，我們已在裡面注入聚合物。現在要加水，你們現在看到的是以加快了60倍速度放映的視頻，這小片腦組織將會脹大，它的體積將會脹成百倍或更大。最牛的是，因為聚合物是如此渺小，我們能均勻地分開這些生物分子。這個過程會緩慢有序地進行，而且信息的型態不會失真，我們只是把它變得更容易被觀察。

窺探細胞和組織結構改變，提供藥物開發靶點信息

如果上述技術可行，則我們可將其利用到觀測人體其他組織結構，以窺探諸如癌症或免疫系統老化所引起的細胞或器官活性的改變。而這些信息，會有助於作為新葯開發的靶點。

藥物開發的風險是十分高的。而以我今天所談論的技術能幫助我們能描繪出生命系統的模型。從而幫助我們更好開發靶向藥物。