看透大腦與生物組織中分子與結構的新技術！See-through brains

傳統上對於細胞結構的研究常常只限於單層或數層細胞的觀察或是組織的切片，像是對哺乳類大腦這種複雜的器官沒有辦法可以看到有分子資訊細節的3D影像。最近有多種讓細胞透明的技術開始發展，希望能將組織浸泡之後便成透明來觀察整體的結構。這樣的技術現在已經開始成熟了！這影片介紹最新發表在nature上的新技術，可以讓細胞組織變的透明。原理是這樣，讓細胞不透明的東西組要是細胞膜的酯質，但是如果分解掉酯質也會讓細胞分崩離析，無法觀測，所以研究人員先用一種水膠（acryl­amide，丙烯酰胺）滲入組織，加入膠合分子形成三維的網路撐住細胞的結構後，再分解掉細胞膜，這樣一來細胞就變成透明的了。因為幾乎所有的蛋白質分子的資訊都還在原位（只損失8%，其他方式的透明會損失約40%的蛋白質），所以可以用各種螢光標定的方式來看整體大腦的連接，甚至可以追蹤單一條神經纖維的路徑。影片中展示出這種技術驚人的能力跟未來的價值。更重要的是，這樣的技術也可以用在其他的器官組織，讓人有機會真的在空間中看見組織跟分子的分布，相信會對基礎生物研究給出很大的貢獻！

為什麼做夢? -生命的預演 Why do we dream?

每個人都有過不同的夢境，不管是好或不好的情感總會悄悄在夢裡某個時刻出現，那為什麼人會做夢呢? 這問題一直是科學的謎題，不過越來越多的證據說明夢是大腦為了生存而準備的某種預演，像是喚起需要處理的壓力情感，讓人可以再夢裡預習相似的壓力，思考面對的問題。不管是生存壓力或是情緒壓力，讓神經可以早點找到問題的答案。夢境過程中用到的神經一樣可以讓神經訓練學習，夢中練習新的建立的神經網路，讓學習的記憶可以固定下來。這樣的睡眠與夢機制也許是大腦慢慢發展出來一種讓生物能更適應環境的方式，所以在其它的生物上也可以發現作夢這件事情。一些研究也顯示夢境的組合是基於感情上的連接而不是邏輯的連接，所以常常能做不合邏輯的夢，即使很不合理，在夢的當下不覺得哪有問題。之前新聞也介紹過很多跟夢有關的研究報導，知道這些夢相關的科學研究，或許下次做噩夢的時候能讓更正面的看待經歷的夢跟要面對的問題!



另外同的的神經過程也會發生動物身上喔 :)



“白日夢”不白做 研究發現有助鞏固記憶
如何馴服你的噩夢
研究：發呆恍神 讓人更聰明
專家稱睡眠可為記憶預留空間
美科學家稱記錄夢境有望變成現實

水貼紙隨身電子儀器! Tattoo could monitor your health

軟性電子材料因為可以被彎曲摺疊，所以被認為可以廣泛的應用在電子紙或是衣服式可穿戴電子產品上。但是除了這些，其實還有很多種可能的應用方式。這影片介紹利用水貼紙的方式，經由水來溶化高分子包附覆的元件與基質的黏著而改黏於另一基質，把軟性的電子元件晶片貼附在人的身上，這樣一來像是血壓的監測或是血糖的量測等，這些目前需要固定在某個地方量測生理數據都可以藉由這樣的軟性電子元件配合無線模組直接讀取傳送。當不需要的時候也可以輕易移除。目前這樣的設計可以固定附著在身體上兩天，經由不同的黏附物質這樣的時間應該可以依照應用來控制。可以想像的是在未來可以輕易的監視身體不同位置生理條件，像是受傷復原與否，肌肉骨骼的情況，運動的情況，甚至更複雜的疾病訊號等，這種對生理的即時間監控能力會讓很多醫療的方式有革新的可能。期待有很多可能的應用都可以經由這樣的方式來達成。

非平衡軟物質特集:細胞骨骼的動態運動

不只生物個體有骨骼, 在細胞的層次也有各種分子支架來支撐細胞的外型, 也就是所謂的細胞骨骼(cytoskeleton). 不同於一般的支架, 這些細胞骨骼不僅有被動的支撐, 這些分子的組裝動態也直接關係到細胞的運動. 之前有介紹過吃掉煙麴黴孢子的白血球跟角膜細胞的爬行這兩個很有趣的影片, 都是利用這種細胞骨骼的動態變化來達成的. 但是因為細胞骨骼分子都太小, 所以一般的顯微鏡看不出到底發生了什麼事情. 用電子顯微鏡可以看到的, 可是只能看到死的... 所以分子螢光顯微術又派上用場了!

方法是先把一種會跟細胞骨骼結合的蛋白利用基因改造的方式加上一段螢光綠蛋白GFP, 送回要研究的細胞中, 這樣一來, 當有細胞骨骼形成的時候, 這些蛋白會馬上附著上去, 在藍光激發下發出綠光. 但是問題又來了...細胞是一個立體的結構, 有太多的螢光訊號會互相干擾, 所以用一般的螢光顯微鏡去看, 就只會看到一團綠光, 什麼細微的結構的看不到. 影片裡的實驗裝置是利用一道藍光雷射所自行架設的全反射顯微鏡, 把激發的藍光用超過臨界角的角度射入, 所以藍光的激發範圍只有表面的一小層 (消逝波, 可以想像是藍光在全反射時接近表面的漏光). 這樣一來, 只有表面的螢光蛋白可以被激發到. 接著把會爬的基因改造黏菌放入, 就可以欣賞到的即時的細胞骨骼運動狀態了. 影片中一根一根的光還有在細胞邊界不停產生的"腳"就是這些螢光分子所還原的一類細胞骨骼的動態 (F-actin). 影片是即時的影片, 可以看到在一個會運動的細胞中, 分子的組裝就是這麼動態! 這樣基因改造GFP技巧跟光學技巧可以被用在很多研究, 讓以往只能用推測的分子動態即時的顯示出來. 不僅對科學有用,也可以用來觀測很多不同分子對外界刺激或是跟各種藥物的結合與反應.

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 - 非平衡軟物質 目錄

被音樂感動的生物晶片! Music moves microfluidic drops

微流體生物晶片被很多人認為是未來醫療檢測或是生物技術的發展趨勢之一, 很多工程上的技術也用來設計不同的生物晶片, 譬如用電驅動的 (之前介紹過的DNA液滴晶片), 壓力驅動的, 超音波驅動的(流場抓細胞)等等. 但是複雜的設計往往限制了實際上的應用. 另一方面, 很多朋友都知道不同水高度的試管因為共振的關係會對不同的聲音有反應, 只要達到共振條件就會把聲音放大, 原理跟所有共振腔的樂器一樣. 現在研究人員利用這樣的原理開始讓生物晶片也可以聽得懂音樂來工作. 首先研究人員設計的不同的共振腔, 然在共振腔後面接上單方向的氣流通過結構( rectifier 如下圖), 然後每個共振腔再接上不同的微流道.

這樣一來, 只要用喇叭發出特定的頻率的聲音, 特定的共振腔就會把聲音的振幅壓力放大, 經過單方向的結構後就會產生單方向的壓力, 這樣的壓力就可以用來堆動在不同管道的水滴的運動. 所以這樣設計出來的晶片上的液體運動就不再需要外加的幫浦來推動, 只要用喇叭放音樂就可以工作了! 下面的影片展示出很多可能的液體操作都可以藉由這樣的方式來達成.

學術文獻

細菌的終極細菌殺手- 蛭弧菌! Bdellovibrio attacking E.coli

在抗生素發現以前, 細菌感染是死亡一個很大的原因, 現在雖然有了不同的抗生素, 但是因為廣泛使用的結果, 越來越多的病菌開始可以對抗抗生素,變成了所謂的"超級細菌". 不過細菌也屬於自然生態的一部分, 所以除了他可以去入侵別人以外, 可以入侵細菌的生物也是存在的, 就是這影片介紹的蛭弧菌(Bdellovibrio). 這種細菌只有單根鞭毛, 可以利用轉動鞭毛做超快速度的游泳 . 在遇到要入侵的細菌的時候, 可以利用高速的鞭毛轉動, 把細菌的細胞壁鑽開進入細胞. 進入以後這樣這影片所看到的, 影片中綠色螢光標定的大腸桿菌, 小黑條就是蛭弧菌. 蛭弧菌會在大腸桿菌內慢慢長大把細菌內部吃光, 然後分裂成更多小蛭弧菌把大腸菌裂解掉, 然後再去找其他的細菌來吃. 因為這種細菌也長久的跟著他的"食物"(其他細菌)演化, 所以漸漸的把自己變成這麼特殊的細菌殺手. 很多有害的細菌像是綠膿桿菌或是沙門桿菌都可以被這種細菌吃掉,加上這種菌不會攻擊人細胞, 所以有一些科學家希望發展這種對付細菌的生物武器來彌補抗生素可能開始失效的情況, 做細菌級的生物防治!

代謝對比放射性乳癌偵測- 微小化固態元件的功用! Deborah Rhodes: A tool that finds 3x more breast tumors

乳癌的早期發現跟生存率非常有關, 如果能在1cm以下發現有九成的存活率, 但是如果到了兩三公分,只剩下大約一半的存活率. 現在的偵測一般除了觸摸檢測外, 就是利用超音波或是X-ray. 但是這些檢測技術都難以正確判斷腫瘤的發生, 尤其是在早期的時候. 以乳房x光為例, 只有不到1/4 的機會能被發現. 其中一個很重要的原因就是x 光是利用電子密度來判別組織, 但是在乳房有緻密的乳腺組織, 這些組織在x光下常常不容易跟腫瘤做判別. 只有在女性年長以後這些組織可能減少讓x光檢測的正確性增加. 這演講介紹了一種新的偵測方式, 一方面利用特定的標定的放射性分子容易被腫瘤細胞吸收, 這樣一來腫瘤的組織跟一般的細胞組織的對比就大大的增加. 然後是革新放射線的偵測元件, 利用微小化的固態偵測...進入演講

把聲音變成子彈! Bullets of Sound

聲音的機械波震動除了一般動物用來溝通以外, 在很多地方也很有用途, 像是敲敲西瓜就知道西瓜的好壞, 敲敲橋樑鋼骨就知道哪有裂縫, 用超音波照照孕婦就可以看到未出生的小baby. 除了這些偵測功能外, 如果能夠對聲音的震動聚焦, 把震動的能量聚集在一點, 就像透鏡聚光一樣, 就能做像是直接在體外把癌症腫瘤加熱移除的工作, 既不用開刀也沒有輻射. 不同於光線因為波長很短, 所以只要控制巨觀的折射率分布(利用透鏡的形狀), 就可以利用直線光的偏折近似來設計光學儀器. 機械波的波長很長, 所以相關的波動計算都必須直接處理近場的彈性微分方程, 在實際設計上也非常困難. 現在科學家利用一群小鋼珠開始來設計這種基機械波的透鏡, 用來聚焦震動. 就像在一連串的小剛球串前, 只要敲一下最前面的, 最後面的就會跳出來, 機械波在剛球間的傳播很有效率, 也很容易利用改變球的大小或是鎖地緊不緊來控制剛球的彈性反應. 研究人員利用這樣的性質, 把一整面設計的好的小剛球陣列作為聲音聚焦的裝置. 配合上目前有限元素的彈性模擬計算, 就可以把震動準確集中在某一個地方. 以後除了用來做體內手術以外, 這樣的技術也一樣可以用在超音波上, 或許能讓影像更為清晰.

人工DNA抗體! Biosensor DNA

生物晶片一個最核心個概念就是利用偵測結合來判斷某種生物分子的有無, 在偵測DNA基因上這樣的使用已經沒有問題, 只要有合適的序列就可以. 但是在偵測蛋白質上, 因為要跟蛋白質結合的抗體不容易大量多樣專一生產, 加上螢光標定問題, 所以還侷限在實驗室研究上. 以往有一類的研究是希望利用分子模板鑄造來製造人工抗體,而不是用傳統的免疫方式. 下面這影片是介紹利用DNA分子當骨幹, 把不同的氨基酸結合在DNA的鏈上, 這樣一來就可以賦予DNA更多的性質,可以跟蛋白質結合, 變成人工的抗體. 這技術的一個好處是可以利用目前合成DNA長鏈的技術直接產生抗體, 所以可以克服以往抗體不容易生產的問題, 而來DNA上很容易在加上螢光標定的互補鏈, 可以增加這種分子的功能性. 類似的解決方案不只一種,目前應該都是正要發展的時候, 這樣的技術會大大增加生物晶片以後的偵測能力.

噴出來的超合身衣! Spray-on clothing

傳統做衣服的方式是利用紡好的纖維再做成布料然後再剪裁造型. 現在有科學家把製作衣服的方式加以革新,衣服可以用噴的. 方法是利用纖維跟塑料在溶劑中混合,直接噴在要穿的人身上, 當溶劑揮發後, 就會留下纖維跟塑料的聚合物. 利用一層一層噴上去的方式就可以控制衣料的厚度. 這樣的用噴造型的技術以往有用在做模型的表皮, 不過利用新的複合材料, 這種方式提供了一種很特殊的做衣服的方式. 當然身體的曲線也會一覽無疑, 或許在流行服飾上有吸引人的地方. 除了做衣服之外, 這種技術的額外優點是可回收, 雖然一般也可用水洗, 不過也可以再次溶解在溶劑裡以再次使用.　另外因為可以很合身又不黏皮膚, 所以也可能合適用在醫療的表面敷材, 利用添加藥品到噴料上, 直接形成傷覆蓋層, 幫助傷口回覆.

新一代生物材質人工角膜! Biosynthetic cornea

每年都有很多人因為不同的原因像是意外受傷或是疾病使角膜受損而失明. 一直以來人工的角膜一直是醫學工程材料重要的應用一之. 不過之前的人工角膜利用了不同的透明高分子來作為替代物, 雖然主要的光學性質可以達成, 可是也有不少可能的問題. 像是人工的角膜是外來的分子, 所以長久使用在身上有時候會有排斥或是不相容的問題. 另外被動的材料比起自身細胞組織另一個問題就是不能自動修復或是有感覺, 之前有介紹過角膜細胞的自我修復機制在人工的材料上就不可能. 所以常常會有使用年限的問題或是因為沒有神經刺激眼淚的滋潤而需要而外的照顧. 這影片介紹的是最近發展出來的生物材質角膜. 利用生物膠原分子做的. 在研究上發現這種材質可以跟人體整合的很好, 細胞跟神經都可以長進去裡面, 讓這種材料的角膜有跟原來角膜同樣的性質. 如果後續的實驗成功應該會幫助到很多人! 影片是手術跟替換的過程.

小蘚苔大功效! COOL MOSS

一般在我們腳下的蘚苔或許在將來的生活會扮演更重要的角色! 日本一家公司利用人工培養的蘚苔類做為建築頂端的覆蓋材料. 因為蘚苔類有很強的吸水保濕功能, 比較有蘚苔類覆蓋跟沒有蘚苔類覆蓋的建築, 建築頂部溫在陽光下可以降低2-30度, 這樣一來可以大幅減低空調的需求, 二來也可以綠化環境. 類似的技術還有種番薯之類的植物, 很多都正在開發中. 日本這家公司主要的改良是蘚苔類的培養技術, 可以將2年的生長週期縮短為四個月. 另外這種綠化覆蓋也可以用在其他地方, 相信善用這樣的技術對節能跟綠化都會很有幫助的喔!

用聲音來看! Seeing with sound

眼睛是靈魂之窗, 現在也很多研究在看看要怎麼幫助視覺障礙的朋友能有更好的生活品質. 除了發展中的電子視網膜以外, 其實另一類的做法就是把視覺的資訊投影到其他的感官感覺上.　有不少研究顯示, 視覺喪失的人在其他的感官上會比較突出, 這種轉換感覺接收路徑的方式也應該很有發展的空間. 這影片是介紹利用眼鏡上小型的攝影機跟即時的影像處理, 電腦可以即時把影像的資訊轉換成聲音. 這樣一來看不見的人就可以根據聽到的聲音來對環境有多一點了解. 當然這樣的技術會干擾本來的聽覺, 或許要經過訓練還有找到比較不容易干擾的方式才可能實用. 當然影像理本身也要夠好, 才能讓電腦判斷的正確. 另外這種把視覺資訊投影在其他感官的接受上不一定只能限於聽覺. 身體很多位置的觸覺其實也很靈敏,　也常常沒有在利用有很多空閒時間. 如果能善加利用,　應該能更能讓周圍的資訊藉由電腦的幫助而被即時察知.

食物與血管新生: 癌症與肥胖的發現! William Li: Can we eat to starve cancer?

身體組織的生長依賴血液的供應, 但是在某些情況下血管的增生對身體是有危害的, 特別是在腫瘤的生長上. 很多人的身體裡面都有很小的微腫瘤, 根據一些調查在某個年紀以後, 超過一半的人身上都會有. 但是這些小的不正常細胞增生塊對身體並沒有危害, 因為它們不能得到血液的供應. 發現了這點以後, 現在在癌症的治療上, 抗血管新生的藥物也越來越重要, 因為腫瘤的新生血管有一些特殊的性質, 所以針對性的治療是有可能的. 同樣的治療概念也被用在動物的腫瘤治療上. 這樣的治療在有反映的癌症種類上, 雖然可以增加大約快要一倍的存活時間, 卻沒有辦法製癒. 恩為人發顯腫瘤的時候總是太晚了.
這演講提出來的概念是, 有些食物其實跟藥物一樣有抗血管新生的功用, 像是葡萄,大豆,草莓,番茄等. 日常的生活就能攝取, 也有一些證據顯示這樣的飲食能減少大約一半的罹癌機率. 更多的研究跟調查或許在以後可以幫助人們選擇更健康的食物. 演講的最後演講者也提到, 其實血管新生對肥胖也一樣重要, 因為那些酯肪細胞也需要血管的養分. 在老鼠的研究上, 抗血管新生的藥同時也是可以控制體重的藥. 或許在人的身上, 類似的效果也可能存在. 如果這是真的, 那選擇健康的食物同時有抗癌跟減肥的效果.　等待更多的科學研究了!

人工生命的發展過程! Craig Venter unveils "synthetic life"

在最小的生命研究上一直有兩種策略, 一種是利用簡單的細胞不停地把不必要的基因剔除, 直到找到最小可以支持自我複製生長的基因组. 另一種策略是全部的基因組都由人工來合成, 設計出可以自己複製生長的細胞. 兩種策略都各有優缺點, 剔除的方式要面對的是怎麼面對牽一髮動全身的基因組, 不同的剔除路徑可能中間有很多不能維持生命的中間基因組. 在全人工合成上, 首先要面對的就是怎麼有效正確的合成大分子的DNA, 接著是怎麼把合成出來的基因組放入當作容器的細胞並且激活. 這演講就是介紹以合成的路徑研究人員面對的多少技術困難最後可以順利合成百萬鹽基對的染色體, 然後順利放入細胞讓這些基因組真的開始工作. 裡面幾個關鍵的步驟是, 大量正確合成DNA, 分開的合成DNA怎麼被組裝成單一基因組, 同類細胞間的基因組要怎麼替換, 異類細胞間的基因組要怎麼替換. 還有就是面對處理甲基化跟限制酶對外來DNA的破壞. 這些工作花了參與的科學家15年的時間, 不過其依賴的技術基礎是整個分子生物的技術. 這樣的技術有危險性也有很多可能的應用方式, 像是在生物能源或是細胞疫苗工廠上, 希望這樣的技術會引導出很多能幫助人的科學進展.

植入型智慧螢光粒子! Implantable blood sugar sensor

血糖的檢測是糖尿病患的例行工作. 但是目前的檢測方式都需要採血, 一方面是不舒服, 另一方面也只能有定點時間的數據, 如果能取得連續時間的數據, 對於排除跟血糖變化有關的危險因子會更有效用. 這影片介紹利用微流道的方式來製作會依照血糖高低不同而有不同螢光亮度的微膠體粒子. 粒子的製作方式是利用雙層流體的方式, 外圍的輸送流體為油相, 內層的水相溶液裡面包含高分子跟對葡萄糖敏感的染料. 利用內外管流動跟流體的不穩定性形成小液滴以後再加以交聯, 形成最後的粒子. 把這樣的小粒子放入體內靠近表面的血管內以後, 就可以用螢光的方式連續監測血糖的濃度. 目前的困難再穩定性跟使用時間. 其實類似的構想或許也可以用在監測其他身體的情況. 因為這種埋入粒子的方式一定比埋入裝置的大小來的小, 或許將來有實用的一天.

超高解析度CT電腦斷層掃描重建! HD CT Scanner Spots Flaws Before Heart Attacks

CT電腦斷層是利用多張x-ray的照片去重建身體的立體結構, 像是在很多不同角度拍一個透明的水母, 然後要正確的還原立體結構. 這樣的技術不僅受限於硬體設備, 像是要拍夠多的照片, 照片解析度要好, 同時也受限於軟體的計算能力. 這種利用多張穿透照片重建的方式稱做 back projection reconstruction, 就是處理完照片後, 要利用計算還原影像. 因為是重建就有很多不同可能的結構, 而能對不同可能的結構做出評分跟改進就是這技術發展的重點. 這影片是展出利用目前快速的計算能力跟利用 adaptive statistical iterative reconstruction (利用已有的結構去疊代, 然後利用統計的方式判斷這影像的可能性有多高, 再進行下一輪疊代直到達到最佳化) 的方式可以達到的解析度. 這台研究中的GE的機器可以在幾秒內就照220張的不同角度影像, 重建後看到大約0.6mm的東西. 影片介紹醫生可以看到還沒有發生的血管疾病, 這樣的解析度甚至可以讓使用者在血管裡虛擬的飛行. 以往CT的一個大缺點是輻射的劑量太高, 這台也做改進. 影片說跟七八年前的機器比起來輻射劑量少了20倍(可能有吹牛). 希望這些科技不會太昂貴, 造福真的有需要的人.


科學文獻

生物關節修復! Kevin Stone: The bio-future of joint replacement

很多人自己或是家人朋友都有能會遇到關節問題. 可是目前並沒有完善的關節修復方式, 就算利用人工關節也常常有使用期限或是舒適的問題. 這影片介紹利用人或是動物的組織來修復人體組織的研究. 在使用人體的組織方面, 就像是其他的器官捐贈移植, 有一些不錯的例子說明有效, 可是組織來源太過稀少跟昂貴. 利用動物組織方面, 演講介紹分三類, 如果只是單純作為簡單的支持性結構的, 可以利用分離有用的生物物質, 像是軟骨膠質,然後放入合適的載體在植入人體. 如果要利用到完整組織的話, 就需要作一些去除免疫的酵素處理, 把抗原給去除掉, 像是韌帶就可以這樣做. 最後一種是利用人體的幹細胞跟動物組織的混合, 一方面有再生能力, 一方面可以利用動物組織給的環境條件引導幹細胞發育分化, 這些研究或許在以後可以對很多疾病還是生理缺陷有所幫助!

聰明醫學繃帶! Smart bandage

簡單的物質如果能夠賦予根據環境而反應的功能就可以變成智慧材料. 繃帶跟紗布是醫療上很常使用的東西, 特別是在覆蓋傷口上. 這影片介紹一種目前正在研究的智慧繃帶, 這種繃帶上有很多奈米膠囊. 當這種膠囊的表面接觸到細菌分泌出來的毒素的時候, 微膠囊就會破裂, 裡面所含的染料跟抗細菌的藥物就會釋放出來. 一方面利用顏色讓醫療人員知道這區域有能有感染, 一方面也同時抑制感染的發生. 其實因為在皮膚上有很多共生的細菌, 對皮膚的功能有幫助, 這種只針對有害細菌毒素反應的繃帶或許能讓傷口的回覆更好, 幫助像燒燙傷那樣大規模皮膚受到傷害的病患.

鯊魚的表面跟感染防治! Surface Technology Designed to Prevent Hospital Acquired Infections

在醫療上如果能夠防止在醫院的細菌感染可以幫助很多免疫不好的病人. 現在一般的抗菌方式不外乎是利用殺菌藥品處理表面, 使用可自動釋放藥品的表面, 或是利用表面的奈米顆粒的催化性質殺死在上面的細菌. 這影片介紹利用仿鯊魚的表面而做的表面貼紙. 因為鯊魚皮膚表面有很多特殊花紋的微結構, 這些微結構會使得細菌很難附著, 因為難附著, 產生生物膜的機制也會被抑制. 只要把有這種這種微結構的貼紙貼在不同人容易觸摸的地方,　像是把手或是水龍頭, 就可以減少人間經由共同觸摸而傳播的細菌. 這樣的科技或許還能用在其他像是水管這種有生物膜危害的地方. 另一方面, 也許不同的還生物發展出更多種的表面在做更多事情, 就等科學家去發現了.