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突破諾貝爾得主研究! 中研院團隊打造可「看見記憶」的顯微鏡

中研院應用科學研究中心助研究員陳壁彰與「透化層光定位顯微鏡」。(中研院提供)

中研院應用科學研究中心助研究員陳壁彰與「透化層光定位顯微鏡」。(中研院提供)

2019/11/13 15:39

〔記者簡惠茹/台北報導〕突破諾貝爾得主成就!中研院團隊打造出可觀察三維空間生物組織層級的光學顯微鏡,透過顯微鏡研究果蠅腦部,首度帶領人類用顯微鏡直接「看見記憶」,將來可望揭開大腦記憶機制。

2014年諾貝爾化學獎頒給發明「超解析螢光顯微鏡」,讓光學顯微鏡突破了解析度極限的3位科學家,而師承得主之一貝吉格(Eric Betzig)的中研院應用科學研究中心助研究員陳壁彰,與國立清華大學生命科學院院長暨腦科學中心主任江安世院士,突破超解析螢光顯微鏡只能看到平面的限制,進一步共同開發出可看到三維空間的「透化層光定位顯微鏡」,能看到果蠅完整的立體腦部。

陳壁彰指出,透化層光定位顯微鏡使用的是超解析三維光學顯微技術,把觀測細胞層級推展到大1萬倍的組織層級,可以看到果蠅全腦,此技術可望為組織生理與病理學研究帶來新的突破,更有潛力揭開大腦記憶機制。

陳壁彰與江安世首次應用成果隨即在今年10月18日登上國際期刊自然通訊(Nature Communications),帶領人類第一次用顯微鏡直接「看到記憶」。陳壁彰指出,過去研究認為記憶是由某些蛋白質分子所堆積而成,但是都尚未有直接證據可以證明,他們透過獨有的技術,看到果蠅全腦的蛋白質分子的數量和分布,並看見記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生。

陳壁彰表示,利用層光定位顯微鏡,達到小於100奈米的三維空間解析度,不但可以看見細胞核孔的大小,更具有分辨三維活體的解析力,而在這技術基礎上,院士江安世將其用於觀察完整的果蠅大腦,也就是在比單一細胞大將近1萬倍的組織中,定位其中所有蛋白質分子。

研究更發現記憶不只會存在細胞本體,陳壁彰指出,果蠅大腦的蕈狀體(mushroom body)與記憶息息相關,觀察有受記憶訓練及沒有受記憶訓練的果蠅蕈狀體,其中「囊泡單胺運轉蛋白質」(vesicular monoamine transporter)的分布後,發現只有在部分的突觸會有此種蛋白質增加,這表示在單一一顆神經細胞中,記憶不僅會存在細胞本體,更會儲存在神經細胞溝通的橋樑之間。

值得一提的是,這台全球獨一無二的「透化層光定位顯微鏡」完全是台灣製造,由陳壁彰團隊在實驗室中親手組裝而成,陳壁彰指出,團隊正在進一步嘗試要看到更大面積的老鼠的腦部,目前記憶如何產生的,到現在仍是未解之謎,相信將來他們的設備可以有所貢獻。

論文共同第一作者為朱麗安及呂杰翰,研究團隊包括楊舜閔、劉彥廷、蔡允齊、王文呈、張煒堃、馮冠霖,朱麗安曾為2017年中央研究院生命科學組博士後研究員,現為腦科學中心博士後研究員,呂杰翰博士現為哈佛大學博士後研究員。

中研院應科中心主任果尚志表示,目前中心與清華大學生命科學院及腦科學研究中心即將簽署菁英博士班合作備忘錄,希望在雙方單位既有的基礎上擴大合作,計畫將提供成績優良及具研究潛力的博士班研究生每月優渥的獎學金,共同培育更多基礎科研人才。

左圖為超解析全腦果蠅全腦多巴胺神經多尺度圖像;中圖為超解析之果蠅眼部單一神經;右圖是超解析全腦囊泡單胺運轉蛋白在神經上的分佈。(中研院提供)

左圖為超解析全腦果蠅全腦多巴胺神經多尺度圖像;中圖為超解析之果蠅眼部單一神經;右圖是超解析全腦囊泡單胺運轉蛋白在神經上的分佈。(中研院提供)

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