【生醫推手】江安世建置「人體3D Google map」腦科學大躍進計畫 創台灣專屬價值

2021/10/03
【生醫推手】江安世建置「人體3D Google map」腦科學大躍進計畫 創台灣專屬價值
以全球第一個果蠅腦神經網路影像資料庫蜚聲國際的江安世院士,是台灣本土科學家揚名國際的範例,他堅持不跟風,實踐自己夢想的科學。

Cover Story | 封面故事
Vol. 42 2017-04

腦科學大躍進計畫 創台灣專屬價值
江安世建置「人體3D Google map」

以全球第一個果蠅腦神經網路影像資料庫蜚聲國際的江安世院士,是台灣本土科學家揚名國際的範例,他堅持不跟風,實踐自己夢想的科學,繼建置果蠅腦神經圖譜後,積極組建「人體3D Google map」計畫跨領域合作,開發具突破性的未來科技,讓台灣的腦科學研發成果在國際佔領關鍵地位。 

文/陳欣儀


「大腦究竟是如何工作的?」為許多腦神經科學家尋求解答的問題。

中央研究院院士、國立清華大學生命科學院院長暨腦科學研究中心主任江安世,以全球第一個果蠅腦神經網路影像資料庫,蜚聲國際,去年底也獲選國際學術組織世界科學院(The Academy of Sciences for the Developing World, TWAS) 2016年生物系統及組織學門院士。

回顧20多年來的研究歷程,江安世表示,一開始的研究就像是摸石頭過河,雖然目標沒有這麼清楚,但心裡瞭解,這是自己喜歡的方向,經過不斷探索,終會找到重要的那一步。

他也說,「我們這個世代,可以說是見證台灣科學從無到有的發展過程。」從中興大學昆蟲系出身,「當時在侯豐男教授帶領下,我學會如何做『有趣』的生物問題」,江安世回憶到。

考上台灣大學植物病理研究所後,遇到中研院動物研究所研究員李文蓉,「教授教學認真又樂在其中,更教會我許多『細節』的重要性是不容忽視的」。

蟑螂到果蠅腦神經科學之路

冷泉港啟發重質量的科學研究

後來到了美國紐澤西州立羅格斯大學攻讀昆蟲學博士,並師承鑽研「蟑螂」的天才教授Coby Schal。

Schal現為北卡羅來納州立大學講座教授,他極具敏銳的觀察力、對昆蟲學的專業與熱情,令江安世深感佩服。Schal也親身示範,做生物研究必須用科學方法有系統地驗證自己的推論。

兩年半後,江安世以其「蟑螂腦神經內分泌」畢業論文,取得博士學位。

此項研究不僅奠定他往後專注神經學的研究領域,更贏得美國昆蟲學會博士論文總冠軍,成為第一位拿到這項具有百年歷史的美國農業研究獎的華人。

江安世於2001年時,赴美國冷泉港實驗室(Cold Spring Harbor)進行一年的進修研究,此階段是影響其一生科學研究方向的重要轉捩點。

「在那裡我不僅真正接觸到核心的生命科學,也第一次遇到DNA之父James Watson。他們做研究科學的嚴謹態度與方法,齊聚激盪出的集體價值,令人為之嚮往,這也是台灣科學界特別需要的。」

江安世也有感而發地說,「當時在台灣眼界未開,並不曉得自己做的東西是否重要,只是因為可以做,就去做。」

「只有聰明跟努力並不夠,還要有很銳利並具前瞻性的眼光,這也是Watson博士一輩子最厲害的地方」,他說。

台灣過去30年的科學研發,大多是「能做什麼就做什麼」,論文發表也常以量取勝。

「現在應該要從過去的『重量』、『質量並重』,到『重質不重量』。從無到有的科學必須『在對的時間,問最對的、最重要的問題』,才會有具前瞻性的眼光。」江安世說。


果蠅大腦連結體示意圖,圖中一個顏色代表一種神經元。(圖/清華大學腦科學研究中心提供)

好奇科學家的艱辛科研之路

1992年江安世返台任教,當時全世界正值解碼基因體熱潮,回到清華大學時,發現大家也都在進行基因複製與定序。

但他不跟風,堅持投入「用科學方法把生物組織看清楚」的夢想。

他說,「我是一個好奇的科學家,科學不是me-too,堅持做創新科學其實很艱苦,因為優秀的科學通常較與眾不同,相對得到大家認同的時間也較長。」江安世一心想進行「沒有我做就會有差別,有了我做就會不一樣」的研究。

「因為基因定序完成後,緊接而來的,一定是要瞭解基因的功能,因此是否能有一個方法可以針對『功能』進行研究?」

江安世在2001年發明世界首創的「生物組織澄清技術」(FocusClear™),可將腦部組織透明化,進行觀測,以研究學習與記憶的分子機制及神經網路。

FocusClear™能有效減少組織形變、能與多數免疫螢光染劑相容,並已獲證美國及法國等的發明專利。

同年,江安世帶著FocusClear™技術,到冷泉港實驗室進行研究交流,3個月內和9個實驗室合作,也發表許多高影響力的論文。

2002年Focus On Microscopy (FOM)在高雄登場,江安世在會議中首次發表FocusClear™ 研究結果,告訴大家從此以後顯微鏡觀察,將可清清楚楚地看穿組織。

「當時的結果發表,沒人相信。」他說,「我不氣餒,堅持要做下去,但十年來也沒有人相信。」

直到2011年,日本RIKEN腦科學中心教授宮脇敦史(Atsushi Miyawaki),在證實FocusClear技術後,發明成本較低的「Scale」技術,同樣可使小鼠腦組織澄清化,研究成果發布於《Nature Neuroscience》。

後來史丹佛大學生物工程與精神病學與行為科學教授Karl Deisseroth於2013年開發「CLARITY」。

CLARITY以透明的水凝膠置換原先組織中的脂質,以維持組織結構及固定生物分子的位置,再置於FocusClear™澄清整個鼠腦,得以觀察腦內部神經網路的清晰結構,其研究成果發表於《Nature》。


江安世領導的果蠅神經網路圖譜研究成果,曾多次登上《cell》、《Nature Neuroscience》、《Science》等國際期刊。(圖/楊傑名)

FocusClear™ 舉世聞名 

果蠅腦神經網路圖譜搶先世界

2015年,FOM在德國哥廷根舉辦,江安世再度登台,並以大會主題報告的方式,發表其根據FocusClear™ 應用,完成於果蠅腦神經網絡的突破性研究成果。

經過時間的考驗、實驗的證明,如今FocusClear™ 在顯微鏡的應用領域,成了舉世無雙的核心關鍵。

「我曾和學生說過,我們要做到和顯微鏡物鏡的鏡油一樣,全球每一台顯微鏡旁都有兩個瓶子,除了鏡油還有FocusClear™,讓生物組織結構無所遁形」,江安世說。

有FocusClear™ 專利技術加持,經過5年的實驗觀察,江安世研究團隊利用共軛焦雷射掃描高解析度3D生物影像技術,成功繪製出全世界第1張果蠅的「嗅覺神經地圖」。

他們發現,嗅小球經由投射神經樹突接收信號,經軸突投射到蕈狀體的17個不同接收區域,再依蕈狀體樹突分析,分辨出各種味道的網路神經地圖,最後建立完整的果蠅全腦「神經網路圖譜」。

同年11月,團隊又發現,果蠅的長期記憶與中短期記憶分別儲存於橢圓體和蕈狀體,兩者各自獨立運作,且不同時程記憶的儲存均由腦內的「麩胺酸受器」控制。

以上研究結果自2007年分別刊登於《Cell》及《Nature Neuroscience》,轟動生物學界,也打破台灣論文過去在此兩本期刊的掛零紀錄。

「果蠅腦內嗅覺神經網路地圖」並引起Watson的重視與看好,他對江安世能在台灣研究出這樣的成果非常激賞與好奇,還特地來台灣參訪清華的實驗室。

歐美幾乎是在2011年後,才陸續啟動與繪製大腦功能性神經連結圖譜(Connectome)的相關計畫。

江安世領軍清大腦科學中心,與國家實驗研究院所屬的國家高速網路與計算中心合作,搶先發表果蠅大腦神經元影像資料庫FlyCircuit。《The New York Times》就曾於2010年大幅報導此一重大成就。

2012年,跨領域研究團隊又在果蠅腦中發現「DAL」神經元合成新蛋白質,它是影響長期記憶的關鍵。該研究也是台灣研究首次以長篇論文刊登於《Science》。

在這場腦科學世界大賽中,台灣已搶得先機。

生物體connectome大躍進

然而,人腦有將近一千億顆細胞,相較之下,果蠅腦13.5萬顆腦神經細胞只是研究人腦的前哨戰。

經過十幾年的研究,江安世團隊現已能掌握約6萬個果蠅腦神經細胞,但也仍未超過一半。

江安世表示,以現有的光學顯微鏡和電子顯微鏡技術完成人腦圖譜,分別需要一千萬年和超過六億年的時間,「根本將近無窮大,這不可能完成」,他笑著說。

不過,目前清大腦科學研究中心的跨領域研究團隊,已經成功發展出一系列的基因轉殖科技及生物影像自動化處理。

依現有的發展速度,江安世教授預估「果蠅腦神經網路圖譜」應可在10年內建置完成。

但現在全球都在建構腦神經網路,全球科學家也在跟隨這個概念,試圖理解腦袋跟環境的互動,進而解析動物視覺、聽覺、嗅覺是歸大腦的哪個區域管轄。

大家在討論功能性神經連結圖譜時,主要聚焦於腦部的神經連結,但大腦的感測並非只有五官,而是由全身不同的器官輸入、輸出。

「所以,光腦部的神經連結是不夠的,應該要討論的是大腦和全身的互動。」江安世又進一步說,「綜括全部,如果要特別強調大腦的某項重要功能,絕對是『記憶』,沒有了記憶,會連自己的存在都不知道。」

第46屆美國神經科學學會年會(SfN 2016)於去年底召開,江安世受邀會長特別演講(Presidential Special Lecture),他以「Toward Whole-Body Connectomics」為主題,並對國際的腦科學專家,分享自己對全身神經功能連結圖譜研究的未來展望。

「我們提出這個前瞻概念,也正著手進行一整個生物體功能性神經連結的圖譜(whole-body connectome)」,就像『人體的3D Google map』。」他比喻。

「這個計畫和想法對我來講已超過十年了」,江安世說。

「這樣的科學突破將不只看透身體組織結構,『人體3D Google map』甚至可到每顆不同種類細胞的層級,不僅是功能性神經連結體,也闡釋了神經系統與身體各種組織的結構關係。」

>>本文節錄於《環球生技月刊》Vol. 42