<<國內奈米生技研究成果--轉載>>

觀察、操控及量測記憶奈米分子在活體果蠅腦內的活動:

http://nano-taiwan.sinica.edu.tw/ResearchPlan/20030102.pdf

人類基因體計畫完成後,科學家已將注意力從研究基因的排序轉移到研究基因的表達及功能。
一般相信,基因的解碼及其功能的瞭解將帶來醫藥及生命科學研究的重大發展。腦科學的研究
更隨著人類對自我了解的好奇心及高齡社會的來臨,日益得到重視。從科學的發展史來看,如
果說20世紀是基因研究的世紀,21世紀將是腦科學研究的世紀。繼歐美各國及日本陸續宣布腦
科學研究時代的來臨,台灣教育部亦於近日通過台灣聯合大學系統成立腦科學研究中心,並給
予國家型重點經費的支持。清華大學的腦科學研究,利用本校堅強的理工基礎及生命科學的研
究,成立了一個橫跨九個系所、四個學院、兩個大學的腦科學研究中心的研究團隊。本中心的
研究重心放在基因及腦神經網路相互關聯的層次,闡明腦的結構與功能,進而研發腦功能障礙
的治療醫藥。這個跨領域研究團隊在過去短短的一年中,已有許多重要的論文發表,其中4篇論
文在SCI指標上超過10,並有6個登上期刊封面。

人類的大腦擁有神奇的功能,它約有1.4公斤重,內含數億個神經細胞互相連結成數兆個聯結點
的神經網路。人腦具有高度執行平行運算的能力,可同時執行多種功能,例如眼睛看東西時,耳
朵可同時聽見聲音而鼻子可同時聞到味道。利用酵母菌、線蟲、果蠅、及小白鼠等已完成基因體
定序的少數模式生物進行比較研究,科學家對操控各種生命現象的機制及相關的知識正快速的累
積,讓我們明瞭人類在基因及行為的表現上,與這些模式生物在許多方面是非常近似的。冷泉港
實驗室的Tim Tully博士在當研究生時發明了果蠅學習機器,證明可以訓練果蠅使其記得聞到的
味道,並且可以將味道與其他的事件,如電擊,關聯在一起。果蠅體積小容易飼養,可以說是研
究腦的學習與記憶最簡單的模式動物。許多從果蠅研究得知參與學習與記憶的基因,之後都證實
這些基因也同樣參與哺乳類動物的學習及記憶。清華大學腦科學研究中心的研究團隊與冷泉港實
驗室的研究團隊Tim Tully,Yi Zhong,及Josh Dubnau合作,利用果蠅容易操控其基因表現
的特性進行基因轉殖,正有系統的利用Tully博士發明的果蠅自動學習機,大量且快速的鑑定所
有參與長期記憶形成的基因,並觀察這些基因在果蠅腦內表達的神經網路,及解析長期記憶形成
的機制。


『果蠅腦神經基因體計劃』有三個科學研究的目標:(1) 確認所有參與果蠅學習及記憶的基因
。(2) 建立國際第一個以三維影像顯示的果蠅腦部神經網路基因表現資料庫。(3) 發展新的生
物三維顯微影像科技,用以建立哺乳類動物腦神經基因表現資料庫。 清華大學腦科學研究中心
的研究團隊為了探索大腦的結構與功能,研發了一系列創新且具高解析度的生物影像技術。其
中的核心技術,FocusClearTM,可將腦組織變為透明,使得觀察神經網路及基因表現在完整
腦內的立體分布成為可能,已獲得美國20年的新型發明專利。利用這些新的生物影像科技,清
華大學腦科學研究團隊在過去不到一年的時間,已經完成國際第一個腦神經網路基因表現三維
影像虛擬實境系統。未來,擬以五年的時間完成果蠅腦神經網路立體模型圖譜。這將是國際上
第一個在網路及基因層次的三維影像顯示資料庫,也是第一個展現腦神經記憶網路的功能圖譜
。該資料庫將永久設置於國網中心,完成後並由國網中心規劃『神經網路立體影像知識庫服務
系統』提供全球服務。人類的各種主要腦疾病,例如帕金森症、愛滋海默症、杭氏跳舞症等,
都已有果蠅的研究模式系統。例如,冷泉港實驗室的Yi Zhong博士與本中心合作,將人類的愛
滋海默症病變蛋白表現在果蠅的腦,證實可以利用果蠅為模式系統來研究愛滋海默症發病的分
子機制及尋找可能的醫療方法,由諾貝爾獎得主James D. Watson博士為連絡院士,已被美國
國家科學院院刊接受發表。『果蠅腦神經基因體計劃』的完成將不僅使科學家瞭解果蠅腦的網路
結構及運作方式,亦有助於從基因及蛋白質的層次去瞭解腦疾病的產生機制及治療藥物的研發。
另外,本計畫所發展的高解析度立體生物顯微影像技術,將可直接應用於建構精密的老鼠及人類
大腦圖譜,有助於瞭解人腦神經網路及基因表現分布情況與其功能之間的關係。在臨床醫療上,
精密的三維空間腦神經網路地圖也可以協助醫生更清楚掌握患者的腦部狀況。清華大學生物科技
研究所所長江安世教授表示:『身為一個神經科學研究者,我毫無疑問的知道果蠅腦的研究將幫
助我們更了解人的腦,但是我也經常懷疑人腦是否仍然太簡單,其能力仍不足以解答腦的神奇功
能,或者人腦是否太複雜而永遠無法被完全明瞭』。

清華大學腦科學研究中心於今日宣布國際第一個展示腦神經網路基因表現的三維影像虛擬實境系
統。與會佳賓戴上立體眼鏡可以看到果蠅腦內神經網路的顯微結構,在以解析度比核磁共振影像
高出一萬倍的三維立體影像方式呈現出來時,無不感受到驚奇的印象。虛擬實境不僅可以造成引
人入勝的視覺效果,更可以提供研究者一個全新的視野,從三維空間的角度觀察,以發現前所未
見的新神經連結或新的基因表現模式,進而提出解釋腦功能的新假說。清華大學腦科學研究中心
與國網中心合作,希望能在三維影像虛擬實境系統中再加入可即時呈現的互動連結資訊,更進一
步發揮其輔助研究腦科學的功能。美國冷泉港實驗室研究員暨Helicon生物製藥公司創始人的
Tim Tully博士認為這種新的生物顯微影像技術不僅是研究腦結構與功能革命性的突破,而且有
助於生命科學各領域的研究。國網中心生物知識庫執行長謝昌煥博士表示,果蠅腦部基因表現資
料庫及腦神經網路虛擬實境,其實是基因體計劃的延伸,從二維基因序列的解讀到三維影像基因
的表現。清華大學腦科學研究中心將與國網中心共同建構及維護『神經網路立體影像知識庫服務
系統』,該系統將是台灣第一個服務全球科學研究的三維影像顯示及網路互動式的基因表現資料
庫。『果蠅腦神經基因體計劃』的計畫總主持人江安世教授表示,『神經網路立體影像知識庫服
務系統』以高解析三維影像展示基因表現模式,結合了生物科技、奈米科技及電腦影像科技的技
術,在台灣既有的電腦資訊工業及生物科技的基礎上,應有相當好的國際競爭優勢,未來如將團
隊已經發展出來的生物顯微影像科技運用於建構小白鼠及人腦神經網路圖譜,其影響將可比同人
類基因體計劃對生命科學研究及生物科技應用的貢獻。清華大學深信,台灣要發展高科技不但要
應用最新的資訊與技術,也必須成為資訊與技術的提供者,藉由資訊與技術的交流組成跨領域的
國際性研發團隊,再配合國家型重點經費的支持,才有機會使台灣發展成為科技大國。
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