重大疾病的新曙光
爱因斯坦天才的祕密关键
爱因斯坦死后,他的脑成为科学家的研究材料。许多人等着发现他的脑神经细胞异于常人,实际观察的结果却与一般人无异。唯一发现的不同点是:脑神经周边「无关紧要」的胶细胞比常人多一倍。
我们在学校学到,神经系统由神经细胞(神经元)组成,负责思考与记忆等高阶功能的大脑则汇聚了一大堆神经元。至于旁边那些黏胶一般的不起眼细胞,只是支撑物而已。
一个多世纪以来,科学家确实是这么相信的。但是近三十年的研究慢慢发现,占人脑至少半数的胶细胞不但有自己独特的讯息传递网络,还会调控神经元之间的资讯 流通;它们与神经元之间的协同合作,可能才是思考、记忆与创意的源头。此外,胶细胞还负责防卫病毒、修补神经元损伤,以及引导新生神经纤维恢复与肌肉之间的恰当沟通。
胶细胞病变不但会导致脑瘤与多发性硬化症,新近更发现,精神分裂与抑郁症等精神疾病,以及帕金森氏症与阿兹海默症等神经退化疾病都与胶 细胞有重大关连。另外,这种细胞可能跟慢性疼痛以及某些传染病如爱滋病与普利子疾病(如狂牛症)有关。胶细胞因此成为治疗这些疾病的关键,甚至可能找到嵴髓损伤导致瘫痪的治疗方式,是下一波医学革命的热门研究主题。
本书作者费尔兹在胶细胞研究领域耕耘数十年,是这个领域的先驱与权威。《另一个脑》不但是由第一线研究者提供的第一手报导,难能可贵,书中丰富的故事与清晰的解说,更注定会让此书成为这个领域的科普经典。
作者简介
道格拉斯.费尔兹 R. Douglas Fields
美国国家儿童健康与人类发展研究院(隶属美国国家卫生研究院)神经系统发展与可塑性部门主任、马里兰大学神经科学暨认知科学学程兼任教授。费尔兹于2004 年创办科学期刊《神经元与胶细胞生物学》并担任总编辑,同时也是《科学美国人:心智》和《奥德赛》杂志的科学顾问。他是公认有关神经元与胶细胞相互作用、大脑发展,以及细胞记忆机制的国际权威。费尔兹从加州大学柏克莱分校、圣荷西州立大学、加大圣地牙哥分校相继取得学士、硕士与博士学位后,曾于史丹佛大学、耶鲁大学与国家卫生研究院从事博士后研究,1994年起在国家卫生研究院主持实验室。费尔兹发表的科学期刊与专书论文超过一五○篇,此外他也热爱制作吉他、攀岩与潜水。
译者简介
潘震泽
台湾大学动物系所毕业、美国伟恩州立大学生理学博士,专长为神经内分泌学。曾任阳明大学生理研究所教授兼所长,并获庆龄基础医学奖、国科会杰出奖、特约奖等荣誉。现任教美国奥克兰大学。
近年关心科普读物译介,译有《人体生理学》、《爱上中国的人:李约瑟传》、《潘朵拉的种子》等书,着有《科学读书人》、《生活无处不科学》,并担任《科学人》杂志编译委员。
杨宗宏
毕业于台湾大学动物系,美国加州大学圣地牙哥分校斯克里普斯海洋研究所海洋生物学博士。其后在台湾大学医学院、史丹佛大学霍布金斯海洋研究站以及科罗拉多大学的健康科学中心从事蛋白质研究。对生化、生理、生态和演化皆有涉猎,先后在国际专业期刊发表了近二十篇相关论文。过去十二年来在圣地牙哥的生物制药公司,从事蛋白质药物的研发工作。闲暇时从事科普着作的翻译,译有《蛋白质杀手》(与潘震泽合译)与 《我们的身体里有一条鱼》。
杨凯雯
热爱动物、阅读以及旅行。毕业于台湾大学动物系及约翰霍普金斯大学。目前就职于北加州某生技公司并攻读加州大学柏克莱分校企管硕士。
导读:脑中「暗物质」现形记/潘震泽
前言
第一部:发现另一个脑
1 填充泡泡还是神奇黏胶?
2 窥视大脑:脑的细胞组成
3 从另一个脑传来的讯息:胶细胞了解并控制你的心灵
第二部:健康与疾病下的神经胶细胞
4 脑癌:几乎与神经元无关
5 大脑与嵴髓伤害
6 传染
7 心理健康:精神疾病的沉默伴侣──胶细胞
8 神经退化疾病
9 胶细胞与疼痛:是祝福也是诅咒
10 胶细胞与成瘾:神经元─胶细胞倚赖
11 母与子
12 老化:胶细胞对灯火渐灭的愤怒
第三部:神经胶在思考与记忆中的角色
13 另一个脑的心灵:操控意识与无意识心灵的胶细胞
14 超越神经元的记忆与脑力
15 超越突触的思维
16 展望未来:崭新的头脑
志谢
名词解释
注释
书目
人名对照
图片出处
导读
脑中「暗物质」现形记∕潘震泽
神经科学研究于二十世纪后半叶有突飞勐进的发展;这一点从坊间给大众阅读的神经科学书籍的出版数量与速度上,可见一斑。这一点其实并不难了解,因为脑是掌管人感觉、运动、思想、情绪等功能的器官,更是造成人之所以为人的「心灵」所在;因此,神经系统的解剖、生理、药理、病理以及行为等各个面向,都让人神往。还有最重要的一点,脑是人体内最后一块的未知领域,更是吸引了许多研究者的兴趣与投入。
神经系统的主角一向是称作「神经元」(neuron)的细胞,因为它长相突出、充满活力,且多才多艺;由神经元发出细长的神经纤维(轴突)可传导电讯,其末梢并与其他神经元以突触相连,形成复杂的神经网络。目前热门的神经科学研究,就是试图建立完整的脑神经连结图谱,并仿效人类基因组计画,称之为「人类神经连结组计画」(Human Connectome Project)。甚至有神经科学家宣称:「我的神经连结组就等于我这个人。」(I am my connectome.)
然而多数人可能有所不知,神经元最多只占脑中细胞总数的一半,甚至少至十分之一,其余的非神经细胞则统称为「胶细胞」(glia);顾名思义,就是类似结缔组织细胞、将神经元给黏接起来的支持细胞。胶细胞可分为四大类:许旺细胞(Schwann cell)、星状细胞(astrocyte)、微胶细胞(microglia),以及寡树突细胞(oligodendrocyte);除了许旺细胞位于周边神经外,其余都只存在于中枢神经(脑与嵴髓)。
胶细胞的一页发现史与神经元的几乎一样长,但受到的重视却远远不如。其中缘由很简单,因为脑中发号司令的是神经元,一如人类社会的领袖人物,受众人瞩目;至于默默待在一旁的胶细胞,就好比占了绝大多数的社会大众一样,乏人闻问。几十年来,胶细胞在生理学、甚至神经科学的教科书里,都只有薄薄几页甚或短短几段的介绍;因此,不要说一般大众,就连多数生理学家与神经科学家对胶细胞也不甚了了。
胶细胞一般为人所知的功能,包括提供神经组织支撑、绝缘与营养、清除细胞间多余的离子与神经递质、协同微血管内皮细胞形成屏障,以及防御外侮等;对神经系统的健康与正常运作而言,都是重要功能。譬如靠电脉冲传导讯息的神经元之间如无胶细胞的间隔绝缘,将会短路,一切也就乱了套。更重要的是:电脉冲在神经轴突上的跳跃式快速传导,就是靠胶细胞形成的绝缘髓鞘帮忙。神经要是少了髓鞘,神经传导就无法顺利进行,也就会出现如多发性硬化症(multiple sclerosis)患者身上的各种感觉与运动缺失症状。
再者,神经组织必须严格维持其细胞外液的组成,包括各种离子的组成与浓度,否则神经元将无法维持稳定的膜电位,不是随意放电就是不能产生动作电位,而造成各种问题。胶细胞能吸收神经元放电时释出细胞外的钾离子,以维持细胞外液的浓度,因此是维持神经元电力的重要推手。还有就是血液中的各种化合物(包括食物成分、药物及代谢产物等)不应该随便进入神经组织,否则就可能影响到神经元的正常运作。为了保护敏感的神经元,构成脑中微血管管壁的内皮细胞不单排列紧密,外头还有胶细胞包围,形成「血脑障壁」(blood-brain barrier)这种重要的保护装置,以分隔脑组织液与血液。
虽然胶细胞的这些功能早为人知,但一般都将其归入管家类的打杂任务,并不认为它们主动参与了神经系统的运作,直到近二十年前、包括本书作者在内的科学家发现:胶细胞不但能监听神经元的放电活性,同时还会利用钙离子在胶细胞内部以及胶细胞之间传递讯息,形成胶细胞网络。再者,胶细胞的细胞膜上也带有各种神经递质(neurotransmitter)的受体,可对神经元分泌的神经递质反应。尤有甚者,胶细胞本身还会分泌胶细胞递质(gliotransmitter),好比牛磺酸(taurine)、ATP、D—丝胺酸等,更模煳了神经元与胶细胞的分界。
胶细胞在监听神经元活性后,可做出许多反应,包括引起血管放松或收缩以增加或减少局部血流供应、改变神经末梢的形状以增加或减少神经突触的接触面积,以及释放各种因子以增加或减少神经突触的数目等。经由这些变化,胶细胞可直接或间接影响神经元的作用以及神经网络的建立。
胶细胞的重要性还不仅于此;从胚胎发育期起,胶细胞就主导了神经元在脑中的移动与分布。某种原始胶细胞会在胚脑当中形成类似建筑鹰架的构造,好让新生的神经元得以顺着它们前往目的地。等神经元固定下来后,就会发出或长或短的轴突,前往其标的细胞(可以是另一个神经元、肌肉、腺体或血管等),形成以突触为连结的神经网络;这个过程,也仰赖沿途的胶细胞指路。如果胶细胞在发育阶段因基因突变、药物(包括酒精)或其他因素而受损,将造成各种神经病变,从水脑到智力迟滞不等。甚至人类心智能力的成熟,也要仰赖胶细胞;像前额叶神经纤维的髓鞘化,一直要到二十来岁才完成,也给「成年」下了新的定义。
胶细胞引导神经元发育与生长的作用,在神经组织受伤后的复原工作上,更是举足轻重。无论是由外力造成、还是由脑血管病变(中风)引起的脑部伤害,轻则半身不遂,重则性命不保。若是嵴髓受伤,则视位置而定,可能造成下半身或全身瘫痪。胶细胞在神经组织受伤后除了帮忙修复以降低损害程度外,由胶细胞形成的伤疤组织则阻碍了神经轴突的再生。中枢神经的难以再生,可是恶名昭彰,但周边神经系统的胶细胞不但不会阻碍轴突再生,反而会引导新生的轴突前往正确的位置。科学家如能找出中枢与周边胶细胞的作用差异,将可能帮助于成千上万的嵴髓受伤患者,功德无量。
几乎所有神经系统的正常功能,好比学习记忆、清醒睡眠,甚至高阶的思想智力功能,都有胶细胞的参与。举个极端的例子:爱因斯坦大脑里的神经元数目与一般人无异,但胶细胞数目却有显着增加;由于神经突触的连结受胶细胞控制,因此胶细胞也就控制了我们的神经连结组,重要性自是不可小觑。但胶细胞对神经系统的作用层面之广,以及在临床医疗上的应用潜力之大,还得从病理的角度才能一窥究竟。
除了前述多发性硬化症是由构成神经髓鞘的胶细胞受损所造成之外,几乎所有的脑病变都有胶细胞的参与:像脑瘤绝大部分是胶细胞瘤(glioma);引起爱滋病的人类免疫缺陷病毒(HIV)除了侵犯特定的T淋巴球外,就是脑中的微胶细胞;引起普利子症(prion disease)与阿兹海默症(Alzheimer's disease)的脑中不正常折叠蛋白,除了堆积在神经元当中外,也包括了胶细胞;由运动神经元死亡造成的肌萎缩性嵴髓侧索硬化症(ALS,俗称渐冻人)很可能是由位于运动神经元外围的胶细胞失去了保护作用所致;同样的,造成帕金森氏症(Parkinson's disease)患者脑中多巴胺神经元的死亡,也有胶细胞的参与;其余如癫痫(epilepsy)、偏头痛(migraine)、慢性疼痛以及一系列精神疾病(好比精神分裂、抑郁与躁狂等)的成因,胶细胞也都扮演重要的角色。
从演化的观点来看,神经元与红血球、骨细胞等体内许多专业化细胞一样,都已分化到只专精某项技能,以至于连日常生活都需要旁人打理的地步。再者,成熟的神经元基本上不能再生,并且得伴随人度过一辈子,而不像红血球只有一百多天的寿命,随时可被新生的血球取代,因此,维护神经元的健康成了一等要事,也是胶细胞的主要任务。
人体健康靠的是所谓的恆定(homeostasis),也就是体内所有参数都处于一种动态的平衡;如果有任何参数偏离其平衡值太远以及时间太长,人就生了病。神经系统的主角虽然是神经元,其恆定却靠胶细胞维持;因此鲜花绿叶,缺一不可。忽视了胶细胞的神经科学研究,得出的自然是不完整的知识;少了针对胶细胞的医疗保健,自然也达不到理想的效果。
胶细胞研究远远落后于神经元研究之后,除了表面上胶细胞不如神经元耀眼外,方法学的不足也是原因之一。由于神经元具有发出电脉冲以及释放神经递质的能力,因此多年来科学家发展出的电生理、神经化学以及神经药理的研究方法大都针对神经元,对胶细胞则用不上。直到利用对钙离子敏感的萤光剂来侦测细胞内钙离子浓度变化的造影技术发明后,科学家才总算有了直接观察胶细胞运作的工具。
本书作者费尔兹就是最早观察到当神经元兴奋时,其周围的胶细胞也出现胞内钙离子波的人士之一;由他带领我们走过胶细胞的一页研究史,除了让人有机会一窥脑中另一半不为人知的世界外,书中文字更表现出他对胶细胞研究的一份热情。本书绝对是了解胶细胞不可或缺的入门之作,就算入行已久的神经科学研究者也会同笔者一样,从阅读中获得许多意外的惊喜,特此郑重推荐。
后记:个人于两年前接下本书的翻译工作,不想马上又冒出之前翻译的《凡德氏人体生理学》教科书改版新译工作,以至于拖了半年还未能开工。心急之余,只好商请先前合作过的杨宗宏与杨凯雯两位帮忙,完成初译,我再逐字逐句对照原文修改润色,并统一全书遣辞用句及体例;因此这本书是三位译者的脑力结晶,弥足珍贵。本书的第一部与第三部由宗宏负责初译,第二部则由凯雯负责,最后的成品以及校订工作则由本人完成;译文如有任何缺失之处,责任都在本人身上。此外还要感谢北京大学神经科学研究所于常海教授提供GFAP发现人伍福廉(Lawrence Eng)的中文姓名,让更多华人知道前辈华裔科学家的大名与成就。
前言
人脑中上千亿个神经元如何让我们记得自己是谁?如何让我们学习、思考,以及作梦?如何让我们充满热情或愤怒?如何让我们骑脚踏车或了解纸上墨迹代表的意义?如何让我们从一群吵杂的人声当中马上就听出母亲的声音?精神分裂症、抑郁症,或诸如阿兹海默症、多发性硬化症、慢性疼痛与瘫痪等可怕疾病患者的神经线路到底出了什么问题?
我们正处于对人脑有全新认识的转折点;一世纪来的传统看法,特别是脑中神经元扮演的角色,将因此彻底改观。一九九○年,科学家挤在暗室的电脑萤幕前看着资讯在奇怪的脑细胞间传递;它们不单跳过了神经元,同时还不使用电脉冲的沟通方式。在此发现以前,科学家一直以为脑中讯息只有使用电的方式经由神经元流动。事实上,我们脑中只有百分之十五的细胞属于神经元;其他称为胶细胞的脑细胞则一向遭到忽视,被认为只不过是电子神经元之间的填充物质罢了。它们被称为「管家细胞」,给贬为做家务事的细胞仆人。打从胶细胞被发现以来,它们就遭到忽视,时间超过一世纪之久。
如今,科学家发现这些奇怪的脑细胞也会彼此相互沟通,这点让他们惊讶不已。这些细胞不但能感知在神经线路中流动的电气活性,而且还能对其有所控制。这些发现已经颠覆了科学家对于脑部的基本认识。
科学家怎么可能这么长时间一直忽视这另一个脑?由于胶细胞不会发出电脉冲,因此神经科学家用来监测神经元的电极探针听不到胶细胞的传讯。胶细胞不像神经元那样以突触连结成线路;它们不使用推倒骨牌的方式,将讯息一路传递下去,而是将讯息以广播的方式传遍整个大脑。
这些新发现将如何改变我们对心智的了解?当我们探索脑中这块新领域时,是否能解开精神疾病如何让人心智失常的奥祕?这项追求是否能找到如何让脑部从疾病或伤害中复原的解答?
由胶细胞组成的另一个脑的发现就像初升的朝阳,照亮了脑科学当中的每一个层面,同时间影响了所有从事脑部研究的人。这是个仍在进行中的科学故事,其中有意外与转折、洞悉与困惑、争议与共识。一路上你会遇到一些真实但有趣的科学家,每个人都不一样,甚至独特,但他们都从事着一项最要求合作的人类活动:科学研究。
本书提供的资讯新鲜无比,大都还没来得及进入教科书。这些资讯将改变你对脑部的认识,并提供重要的知识,帮助你以及你所爱的人维护健康。本书装满了神经科学与医学的最新知识,透过参与其中的一位科学家双眼,它将带你身历其境,亲眼见识这一切。
對於《另一個腦》這本書,我必須說,它是一本充滿驚奇與啟發的讀物。我對神經科學一直有著濃厚的興趣,但常常覺得市面上相關書籍,不是過於艱澀難懂,就是流於表面。然而,這本書成功地在我心中找到了那個黃金平衡點。作者以極具穿透力的筆觸,揭示了大腦深處那些我們鮮為人知的運作機制。他不僅僅是介紹大腦的結構或功能,更重要的是,他引導讀者去思考,這些複雜的生理過程如何影響我們的認知、情感,甚至是我们對世界的主觀體驗。書中對於「心智」與「大腦」之間微妙關係的探討,讓我對「我是誰」這個古老的問題,有了更深一層的理解。他運用大量的實證研究和案例,闡述了例如「幻覺」的產生、「創傷記憶」的形成,以及「疾病」如何從根本上改變我們的大腦功能。這些內容雖然有時略帶沉重,但卻以一種非常科學且不帶恐懼的方式呈現,讓我們得以理性地看待和理解這些現象。我特別欣賞作者在解釋複雜概念時,所展現出的清晰邏輯和豐富的想像力,他能夠將神經元的電化學訊號,轉化成讀者能夠理解的生動畫面,這點非常不容易。這本書的閱讀體驗,就像是進行一場深入大腦內部的探險,每一次翻頁,都像是揭開了新的謎團,讓人欲罷不能。
评分這本《另一個腦》,可說是把我對大腦的認知,從一個「黑盒子」變成了一個充滿無限可能的「探索空間」。我一直覺得,我們對自己的大腦了解太少了,很多時候,我們的行為、情緒、甚至決策,都像是在無意識中被驅動。這本書則像是一把鑰匙,為我打開了通往這個內在宇宙的大門。作者的敘述方式非常獨特,他善於將抽象的科學理論,與人類最基本的生活體驗,巧妙地結合在一起。例如,他探討「學習」的機制時,會從神經元的突觸可塑性講到我們日常學習新技能的過程,讓人能深刻地感受到科學理論的真實應用。更讓我驚喜的是,書中對於「疾病」的討論,並非僅僅列舉症狀,而是從大腦的結構和功能改變的角度,解釋這些疾病的根源,例如阿茲海默症、帕金森氏症,甚至是精神疾病。這種深入的探討,讓我對這些疾病有了更為同情和理解的態度,也更能明白預防和治療的重要性。書中也觸及了「情緒」的生理基礎,讓我終於明白,為什麼有時候我們會無緣無故地感到快樂或悲傷,原來這些感受,都根植於我們大腦中複雜的化學物質和神經迴路。總體而言,這本書不僅僅是一本科普讀物,更是一份邀請,邀請我們重新審視和認識自己,認識那個藏在我們頭顱裡,既神秘又無比強大的「另一個腦」。
评分這本書的內容,老實說,一開始讓我有點卻步,因為「腦科學」這三個字聽起來就不是那麼容易親近。我一直以為這會是一本充滿學術術語、需要反覆查閱字典才能讀懂的書。但實際翻開後,我的想法完全被顛覆了。作者的寫作風格非常有溫度,他沒有擺出一副高高在上的學者姿態,而是像一位老朋友在跟你分享他對大腦的獨到見解。他經常穿插一些有趣的歷史故事、實驗案例,甚至是個人親身經歷,讓原本嚴肅的科學知識變得生動有趣。我特別喜歡他探討「意識」的那幾個章節,那是我一直很想深入了解的課題。意識是怎麼產生的?我們為什麼會有「自我」的感覺?這些哲學性的問題,透過作者的科學視角,提供了一些令人耳目一新的解釋。他解釋了不同腦區在意識形成中所扮演的角色,以及神經元活動的複雜模式如何造就了我們豐富的內心世界。讀到這裡,我感覺自己彷彿透過顯微鏡,看見了意識的微小火花在神經網絡中跳躍。書中對於大腦的可塑性也有很多著墨,這給了我很大的啟發。原來我們的大腦並不是一成不變的,而是可以透過學習和經驗不斷地改變和成長。這對於一直擔心自己學習能力退化的我來說,無疑是一劑強心針。
评分《另一个脑:开启思考、记忆、健康与疾病的未知领域》这本书,老早就聽說了,一直沒機會拜讀。最近終於被我捧在手心裡,翻開第一頁,就有一種豁然開朗的感覺。書名聽起來有點玄,但讀起來卻是紮實的科學普及。作者用非常貼近生活化的比喻,把一些原本複雜難懂的神經科學概念,解釋得淺顯易懂。例如,他把大腦比喻成一台超級電腦,然後深入淺出地剖析裡面的各種“程式”和“硬體”,像是神經元之間的連結、各種神經傳導物質的作用等等。我尤其對書中關於記憶的討論印象深刻,它不只是單純的儲存,而是一個不斷重塑和詮釋的動態過程。想想看,我們以為牢記的過去,其實可能已經被大腦悄悄地修改過了好幾次!這種想法,讓我對自己的記憶力產生了新的認識,也開始反思,我們究竟有多了解自己腦中的「資料庫」。書裡還探討了許多現代人關心的健康議題,例如睡眠、飲食對大腦的影響,還有一些關於情緒調節和學習新知的原理。很多時候,我們遇到一些生活上的小困擾,或是在工作學習上遇到瓶頸,可能都不是我們不夠努力,而是我們對大腦的運作方式了解不夠。這本書就像是一本「大腦使用手冊」,提供了一些很實際的觀點和方法,讓我們可以更聰明地運用自己的大腦,進而提升生活品質。
评分坦白講,我買這本書純粹是出於好奇,書名《另一個腦》聽起來就像科幻小說的標題,我以為內容會充斥著許多關於人工智慧或腦機介面的暢想。結果,閱讀過程卻是一場意想不到的知性之旅。作者並沒有把焦點放在未來科技,而是深入挖掘我們自身大腦那令人驚嘆的潛力,以及它如何與我們身體的其他部分,甚至與外部環境,進行著千絲萬縷的聯繫。他探討了「腸道菌群」與大腦之間的「雙向溝通」,這是我之前從未曾想過的。原來,我們肚子裡那些微小的生物,竟然也對我們的情緒、思考,甚至行為有如此大的影響!書中很多觀點都顛覆了我過去的刻板印象,例如對於「壓力」的重新定義,以及「衰老」過程中大腦所經歷的變化。作者並非一味地強調大腦的脆弱性,反而更多地展現了它的韌性和適應力。他介紹了許多有科學根據的方法,可以幫助我們延緩大腦老化,提升認知功能,甚至改善睡眠品質。我認為這本書最寶貴的地方在於,它鼓勵我們以一種更全面、更系統的視角來看待健康,不再僅僅關注身體的某個器官,而是將大腦視為一個整體,並積極地去了解和關懷它。
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