#和你讀:《基因》"The Gene: An Intimate History"
全城關注政府所謂免費武肺測試和傳聞的『健康碼』是否用作收集市民DNA,什麼是DNA?什麼是基因?發現基因背後的故事是什麼?
上星期五從書架取下這本《基因》"The Gene: An Intimate History",已經很久沒有三天一口氣讀完一本500頁的英文書,但這本"The Gene"真的值得推薦,作者文筆簡潔流暢,成功融合了科學和歷史,講故佬般把一個個的故事生動地舖排在讀者面前。(感謝城大 Justin Robertson 教授送書!)
本書作者Siddhartha Mukherjee是紐約哥倫比亞大學醫學教授,本身印度裔的他,以他早年在印度家人的故事,特別是他的幾位叔伯們患上精神分裂病的經驗,在全書穿插成為引子,成為本書一個特色,更添加不少趣味。
提起基因,不少人會想到達爾文的進化論和他提出的「適者生存」,不過,與他同期已經實證研究遺傳概念的,卻原來是在今天捷克一位不見經傳的務農小僧Gregor Mandel。這個科學探索和發現的故事,也正式從他1865發表、早於達爾文數年但「無人睇」的論文開始。有人寂寂無名地研究和貢獻,有人像達爾文成為一代宗師。一代一代的科學家,一面與時間競賽,另一方面也與同僚競爭,有人得諾貝爾獎,更多人只差一點點。
遺傳理論初面世,人類還未知道基因在那裡,直到在生物細胞核(nucleus)發現DNA(脱氧核糖核酸),排在一對對、長長的染色體(chromosome)入面,所有的基因奧秘都在這些蛋白質裡面。地球生物無論是動物、植物甚至小至細菌、病毒或單細胞生物,在這個生物最基本的層面上,竟然可說是一樣。人的細胞核有23對染色體,不算最少也不算最多,但絕大多數的DNA竟然與其他生物一樣,生命奇妙奧秘,令人驚嘆。
藏在每個細胞核內一條條DNA內的大量化學訊息,控制生物的所有每個方面的特性,我想真的像個大型的電腦儲存體,內存的數據就猶如DNA的指示。人類現在希望達成的,就是要解讀這巨大而神秘的儲存體的內容,分析什麼資料用來做什麼、控制什麼,從而控制或治療一些由基因突變出現的疾病,例如癌症。
不過,人類往往有個醜陋天性,就是對新事物未了解前,會基於自己的私心或利益,甚至政治需要,妄用科學之名,製造出災難後果。在人類根本未了解基因學前,二戰德國納粹黨已經利用來建立優生學的『科學理論』,屠殺猶太人、吉卜賽人以至他們政權看不順眼的任何人。除此之外,書中談論的基因引發偽科學爭議,由種族歧視至同性戀先天/後天等等,令人心寒。
作者寫了一句:"Junk science props up totalitarian regimes. And totalitarian regimes produce junk science."(偽科學托起極權,而極權就製造偽科學。)說得正好!歷史充滿這些例子,特別是人類科學突飛猛進的過去兩個世紀,除了基因學,另一個例子是原子的發現。人類尚未了解當中奧秘,不但已經用來發展核能發電,造成環境和生態災難,比核電更早的更有殺人無數的原子彈。
今天最被注視的電子/電腦/網絡/數據科技,已被發展為監察工具,DNA基因也一樣。作者的意見是,以過去一個世紀的經驗,把科技發展和決定權放在政府手上是危險的。作者引述另一位科學家的話:「你能停止分拆原子,你能停止飛往月球,你可以停用噴霧劑....但你不能召回一個新生命。」("You can stop splitting the atom; you can stop visiting the moon; you can stop using aerosol....but you cannot recall a new form of life.")武漢肺炎肆虐全球大半年,我不是說這病毒是人類製造,但相信任何人今天看到以上的話,另有一番體會。
本書沒有直接討論近期香港我們最關心的DNA監控問題,不過,在提到近年中國在基因改造實驗的「進取」態度,作者特別提到「中國手法」是「先做,後想。」("Do first, think later.")何其恐怖!
讀畢此書,本是為了解DNA,探討我們將面對的surveillance監控危機,雖然本書未直接討論這方面,但明白基因的基本,就能開始想像它的威力,以至於誤用、濫用可以帶來的恐怖。
#通識必讀 #光讀書 #書評 #讀書
同時也有1部Youtube影片,追蹤數超過2萬的網紅同志道合,也在其Youtube影片中提到,記得打開中文字幕唷 --------------------------------------------------------- 當Gay不是後天選擇,而是先天遺傳的嗎? 如果是後天選擇的,那為什麼沒辦法把Gay變回異性戀? 又如果是「先天遺傳的」,那就更怪了,因為同志不會自己生小孩...
單細胞生物例子 在 謝伯讓的腦科學世界 Facebook 的精選貼文
今天的故事主角,是 1981 年諾貝爾生醫獎的得主。這一年的諾貝爾生醫獎得主有三位,分別是史派瑞(Roger Sperry)、休伯爾(David Hubel)、以及威澤爾(Torsten Wiesel)。他們的共通點就是:都和貓有關!
說到跟貓有關,大家可能已經猜到是怎麼一回事。沒錯,就是拿貓來做實驗。拿一般常見的寵物(如:貓)來做實驗,大家直覺可能覺得有一點殘忍、不人道。
但,為什麼用果蠅或老鼠作實驗,大家可能覺得還好,用貓或狗做實驗,卻會覺得不道德呢?我們今天暫時不討論這問題背後的哲學和倫理議題,今天要來深入介紹的,是「貓」的做腦神經科學實驗到底發現了什麼結果,可以讓這三位科學家拿到諾貝爾獎。
《大腦好好玩》第九集聲音+文字版:
https://voice.mirrorfiction.com/single/20200129cul001
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休伯爾和與三神器
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首先要介紹的,就是休伯爾和威澤爾。休伯爾在 1926 年生於加拿大,1947 年大學畢業後,決定進入醫學院。早年的休伯爾對神經生理學非常有興趣,但是他是醫學背景出身,對於神經電生理的實驗方法一竅不通,因此在早期的實驗學習過程中不斷碰壁,尤其是當他需要把電極插入神經細胞中以記錄神經活動的時候,總是屢戰屢敗。
很快地,休伯爾就明白:如果要成功的記錄神經細胞的活動,一定要具備三項利器才行。
第一,這個電極必須要非常的細,因為電極要夠細,才能精準的插入神經細胞之中;如果電極太粗,它插到大腦中就只是胡亂破壞而已,根本測量不到任何神經活動。
第二,這個很細的電極必須夠硬,因為要夠硬,才能一路穿刺過大腦組織並仍保持電極的完整。
第三,要有精準的機械來輔助穿刺的動作,若只是用手動來穿刺,很容易出現誤差而導致失敗。
關於這三項利器,喜歡親自動手做實驗的休伯爾很快就找到了方法。
首先,在因緣際會之下,他學到了一項利用電解方式來溶解鎢絲的技術,這種方式可以讓鎢絲的尖端變得非常尖銳,因此解決了電極必須夠細的問題。
第二,鎢這種金屬的硬度非常高,所以也解決了電極必須夠硬的問題。
第三,休伯爾最後發明了一種用液體液壓方式來緩慢逐步推進電極的機器,因此也解決了穿刺不精準的問題。
有這三項神器在手,休伯爾終於可以順利記錄神經細胞的活動,也開始準備展開他的科學問題探索。剛好就在這個時期,這三項神器也讓休伯爾小有名氣,很多世界各地的科學家都來和他學習這項技術,而前來學習技術的其中一位科學家,就是 Torsten Wiesel,威澤爾。
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克夫勒與神經節細胞
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1958 年,意氣相投的休伯爾和威澤爾在約翰霍普金斯大學再度相遇。他們兩人當時一起在克夫勒(Stephen Kuffler)的實驗室之下進行研究。
這位克夫勒,也是大名鼎鼎的一號人物,他常被視為是現代神經科學之父,也是後來哈佛大學神經生物學系的創立學者。當年克夫勒最知名的發現之一,就是他發現「貓的視網膜神經節細胞的接受域,具有像甜甜圈、或是像同心圓一樣的結構」。
光是這句話,裡面的資訊量就相當渾厚。我們要來幫大家拆解一下,這句「貓的視網膜神經節細胞的接受域,具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構」到底是什麼意思。
首先是「視網膜神經節細胞」。大家都知道視網膜上有感光細胞,這些感光細胞在接收到訊息之後,會把訊息傳入大腦;不過在傳入大腦之前,會先經過一些神經細胞,這其中就包括了「神經節細胞」(Ganglion cell)細胞,它們也位於視網膜上。
克夫勒當年的傑作之一,就是記錄這些視網膜上的神經節細胞,看看他們的「接受域」(receptive field)長什麼樣子。所謂的接受域,就是當施以刺激時,可以讓神經細胞產生反應的特定區域;換句話說,就是一個神經細胞可以接收到刺激的區域範圍。
用實際的例子來解釋,就是:我們可以隨便選擇視網膜上的一個神經節細胞,來記錄它的神經活動。接下來我們就可以問,視網膜哪些地方出現光的時候,這個神經節細胞會出現反應呢?這個神經節細胞,會對整個視網膜上的任何一個部位的光照都有反應?還是只會對某些特定的局部區域上的光照有反應?如果是只對特定局部位置的光照有反應,那到底是哪些區域?這個區域是圓形?方形?還是不規則形呢?
接下來的實驗過程很簡單,我們如果想要知道這個神經節細胞的接受域有多大、長什麼樣子,就可以拿一個小光點逐一去照視網膜上的每一個部位,看看照到哪邊的時候,這個神經節細胞會出現反應,最後把視網膜上的這些部位整理出來,就知道這個神經節細胞的接受域長什麼樣子了。
透過這樣的方法,克夫勒發現:視網膜上的神經節細胞的接受域,長得像是甜甜圈形式的同心圓;也就是說,如果我們把某一個神經節細胞的接受域直接標記在視網膜上,這個接受域的形狀就像是甜甜圈那樣的同心圓(或有點像舊版的五十元硬幣那樣的形狀,中間有金色圓形,外圍則是銀色一圈)。
當光照在「甜甜圈的麵包區域」時(也就是五十元硬幣周圍的銀色區域),這個神經節細胞就會活化;但如果把光照在甜甜圈的中央空洞部位(或五十元硬幣的中央金色部位),這個神經節細胞就會被抑制。這種神經節細胞被稱為是「中央關閉周圍啟動」細胞(off-center cell)。
還有另一種完全相反的神經節細胞,是當光照在接受域的正中央時會活躍,但當光照接受域的邊緣地區時則會抑制,這種神經節細胞被稱為是「中央啟動周圍關閉」細胞(on-center cell)。
克夫勒的知名科學貢獻,也就是發現了「貓的視網膜神經節細胞的接受域,具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構。」而當休伯爾和威澤爾在克夫勒實驗室中,拿著他們集三項神器於一身的探針儀器,準備找尋新的一批神經細胞下手時,自然就想到了一個問題:「如果視網膜上的神經節細胞的接受域具有同心圓結構,那大腦中的神經細胞的接受域,是不是也有類似的同心圓結構?」
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馬戲雜劇舞台和不斷的失敗
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休伯爾和威澤爾馬上就開始進行實驗量測。他們原本以為,有集三神器於一身的測量探針在手,應該可以馬上解答這個問題;沒想到,迎接他們的竟是一連串的挫折與失敗。
他們一開始使用的都是克夫勒的實驗設備;比方說,克夫勒用了一種貓咪頭部固定器來固定貓咪的頭部時,使貓的頭稍微朝上仰,貓的眼睛才能朝上以便實驗人員觀察光點究竟是投射在視網膜的哪一個位置。此外,由於以前的實驗都是使用圓形光點,而視網膜中的神經節細胞也似乎很喜歡這種形式的光,所以休伯爾和威澤爾當然也就順理延用。
沒想到,這些前人的成功設備和方法,到了他們手上卻一點都不管用,他們不管怎麼照貓的視網膜,視覺皮質中的神經細胞都完全不為所動。
他們記錄的第一個細胞,叫做「細胞第三千號」。之所以稱為「三千號」,是因為隔壁實驗室有另一位神經電生理學領域的世界權威 ── 蒙克梭(Vernon Mountcastle),當時他已經記錄過超過 900 顆以上的細胞;休伯爾和威澤爾知道自己再怎麼努力也追不上這個數字,只好採用阿Q精神來自我激勵一下,直接把自己記錄的第一個細胞命名為第 3000 號,第二顆就是第 3001 號。
當蒙克梭來關心他們的實驗時,他們一定會刻意報出細胞的編號,來試圖加深蒙克梭對他們的印象。雖然有這段好笑的插曲,但是不管細胞的名字怎麼取,一個月之後,他們仍然毫無所獲,這些細胞對圓形光點毫無反應。
最後,他們終於受不了,決定改變方法。他們發現,視網膜雖不是很大,但是以小小的光點逐一照視網膜,也需耗費很久的時間;而且,他們常常照到最後卻忘了自己哪個區域曾經照過。所以,應該需要換個方法才會比較有效率。
於是,他們決定放棄使用光點來照視網膜,改成直接讓貓咪去看投影螢幕上的影像;換句話說,他們想要直接在螢幕上投影,看看貓的視覺皮質中的神經細胞在看到什麼樣的圖樣刺激時會產生反應。
那要怎麼投影呢?剛剛我們曾提到,克夫勒有一個可以固定貓咪頭部的特殊固定器,它可以讓貓咪的頭和眼睛往上仰。當時因為沒有其他的固定器,休伯爾和威澤爾只好繼續使用這種固定器。為了配合貓咪的視線仰角,投影用的螢幕只能擺到天花板上才行;也因此,當時整個實驗室的天花板上放了很多竹竿跟白布,看起來就像是馬戲雜劇團的現場一樣。另外,所有人做實驗也通通要被迫配合貓咪的視線仰角,必須累得半死的一直抬頭仰望。
然而,即使換了這樣的投影方式,仍然一無所獲。他們測試過各種形狀和不同大小的光點,測試過不同的投影位置,這些視覺皮質中的神經細胞完全不為所動。他們甚至試過正妹圖,結果一樣,這些細胞總是宛如死水一灘。
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意外的發現
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當時,神經科學家都習慣把神經活動連接到音響上,只要一記錄到細胞活動,就可以聽到聲音。有一天,他們在記錄一顆視覺皮質中神經細胞時,仍採用投影片來投射圓形黑點,但是測了好幾個小時都鴉雀無聲;當他們在更換刺激材料時候,突然之間,這個細胞有如機關槍一樣槍聲大作!
這一串機關槍響後,大家先是一陣錯愕,不敢動彈,然後馬上開始尋找到底是剛剛什麼動作所造成的。在經過幾次測試後,終於謎底揭曉 ── 原來,這顆細胞是對投影片邊緣上的「直線」有反應!
當他們更換投影片的刺激時,投影片的直線邊緣會在視網網上造成直線的投影,而這種直線就是這種神經細胞所喜歡的圖形;另外,休伯爾和威澤爾還發現,這顆神經細胞只對某個特定傾斜角度的直線有反應,如果不是這個傾斜角度的直線,這顆細胞就不會有反應。
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簡單細胞
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現在我們把這種細胞稱為「簡單細胞」(simple cell)。為什麼視覺皮質裡的簡單細胞會喜歡直線?會有這種直線形態的接受域呢?大家其實只要仔細想一想,如果我們把視網膜上的神經節細胞的接收域連結整合起來,會出現什麼型態?就可以理解其中的道理了。
視網膜上的神經節細胞的接收域是小的圓形,如果把好幾個圓形排成一排串起來,是不是就會得到一條直線呢?視覺皮質中的神經細胞,基本上就是接收了一整排來自視網膜的神經節細胞的訊號,也因此,其接受域也大致就是這一排視網膜神經節細胞接受域的集合。
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複雜細胞
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除了這些簡單細胞之外,休伯爾和威澤爾後來還發現了另一些細胞,比方說「複雜細胞」(complex cell)。這種複雜細胞的接收域很有趣,只有特定傾斜角度的直線往特定方向移動時才會反應,例如某個複雜細胞可能只會在視野中出現往下移動的水平直線時才會活躍。
這種複雜細胞又是怎麼回事呢?為什麼會出現這種形式的接受域呢?有些聰明的聽眾可能已經想到答案了 ── 這種複雜細胞,基本上就是接收了來自一整排簡單細胞的訊息。只要這一整排簡單細胞依照時間順序依序反應,這個複雜細胞就會反應。
比方說,當視野中出現往下移動的水平直線時,就會有一整排對水平線有反應的簡單細胞依序變得活躍,而這一整排的訊號依序傳入這顆複雜細胞後,就可啟動這顆複雜細胞。
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大腦一關一關的逐步整合訊息
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以上,就是休伯爾和威澤爾的故事。我們至少可以從這個故事中學到兩件重要的事。第一件事,是大腦運作的原理;第二件事,是科學運作的方式。
關於第一件事:大腦運作的原理,上述發現解釋了大腦如何在簡單的「分析」和「整合」之後,從視網膜到視覺皮質的短短幾道程序,就出現了由簡單到逐漸複雜的訊息處理過程。
視網膜第一關有「感光細胞」,經過簡單的區域彙整之後,到了視網膜下的「神經節細胞」就已經可以處理圓形;到了「視覺皮質」,就可以再把一些排成一線的圓形整合起來,處理直線和傾斜角度;再到下一關,把一排直線依照時間順序整合起來,就可以處理方向動態了。
所以說,我們處理複雜圖形的方式之一,或許就是透過這樣的資訊拆解,然後再逐步整合而已!畢竟,再複雜的圖樣,也可以拆解成圓形、直線和動態的組合,最後被大腦輕鬆處理。
第二件事,是關於科學運作的方式。許多人常常會說,休伯爾和威澤爾的發現,就是「偶然勝過努力」的例子!但是事實上,休伯爾自己並不認為這只是偶然的發現。
休伯爾認為,他們的發現確實是出乎他們的預期,但是卻一點都不偶然,因為他們已經嘗試過各式各樣的可能錯誤,當各種可能的錯誤都試過之後,成功的可能性自然就會增加。他們以靈活而非制式死板的方式進行實驗,可能就是意外結果得以出現的關鍵。雖然神經細胞的運作方式最後出乎他們的預期,但是這樣的發現總歸是多元努力嘗試後的結果,可不是偶然在街上就可以瞥見的喔!
貓的諾貝爾獎故事還沒完,敬請期待下週《大腦好好玩》第一季最後一集:裂腦貓!
單細胞生物例子 在 謝伯讓的腦科學世界 Facebook 的最佳貼文
今天的故事主角,是 1981 年諾貝爾生醫獎的得主。這一年的諾貝爾生醫獎得主有三位,分別是史派瑞(Roger Sperry)、休伯爾(David Hubel)、以及威澤爾(Torsten Wiesel)。他們的共通點就是:都和貓有關!
說到跟貓有關,大家可能已經猜到是怎麼一回事。沒錯,就是拿貓來做實驗。拿一般常見的寵物(如:貓)來做實驗,大家直覺可能覺得有一點殘忍、不人道。
但,為什麼用果蠅或老鼠作實驗,大家可能覺得還好,用貓或狗做實驗,卻會覺得不道德呢?我們今天暫時不討論這問題背後的哲學和倫理議題,今天要來深入介紹的,是「貓」的做腦神經科學實驗到底發現了什麼結果,可以讓這三位科學家拿到諾貝爾獎。
《大腦好好玩》第九集聲音+文字版:
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休伯爾和與三神器
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首先要介紹的,就是休伯爾和威澤爾。休伯爾在 1926 年生於加拿大,1947 年大學畢業後,決定進入醫學院。早年的休伯爾對神經生理學非常有興趣,但是他是醫學背景出身,對於神經電生理的實驗方法一竅不通,因此在早期的實驗學習過程中不斷碰壁,尤其是當他需要把電極插入神經細胞中以記錄神經活動的時候,總是屢戰屢敗。
很快地,休伯爾就明白:如果要成功的記錄神經細胞的活動,一定要具備三項利器才行。
第一,這個電極必須要非常的細,因為電極要夠細,才能精準的插入神經細胞之中;如果電極太粗,它插到大腦中就只是胡亂破壞而已,根本測量不到任何神經活動。
第二,這個很細的電極必須夠硬,因為要夠硬,才能一路穿刺過大腦組織並仍保持電極的完整。
第三,要有精準的機械來輔助穿刺的動作,若只是用手動來穿刺,很容易出現誤差而導致失敗。
關於這三項利器,喜歡親自動手做實驗的休伯爾很快就找到了方法。
首先,在因緣際會之下,他學到了一項利用電解方式來溶解鎢絲的技術,這種方式可以讓鎢絲的尖端變得非常尖銳,因此解決了電極必須夠細的問題。
第二,鎢這種金屬的硬度非常高,所以也解決了電極必須夠硬的問題。
第三,休伯爾最後發明了一種用液體液壓方式來緩慢逐步推進電極的機器,因此也解決了穿刺不精準的問題。
有這三項神器在手,休伯爾終於可以順利記錄神經細胞的活動,也開始準備展開他的科學問題探索。剛好就在這個時期,這三項神器也讓休伯爾小有名氣,很多世界各地的科學家都來和他學習這項技術,而前來學習技術的其中一位科學家,就是 Torsten Wiesel,威澤爾。
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克夫勒與神經節細胞
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1958 年,意氣相投的休伯爾和威澤爾在約翰霍普金斯大學再度相遇。他們兩人當時一起在克夫勒(Stephen Kuffler)的實驗室之下進行研究。
這位克夫勒,也是大名鼎鼎的一號人物,他常被視為是現代神經科學之父,也是後來哈佛大學神經生物學系的創立學者。當年克夫勒最知名的發現之一,就是他發現「貓的視網膜神經節細胞的接受域,具有像甜甜圈、或是像同心圓一樣的結構」。
光是這句話,裡面的資訊量就相當渾厚。我們要來幫大家拆解一下,這句「貓的視網膜神經節細胞的接受域,具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構」到底是什麼意思。
首先是「視網膜神經節細胞」。大家都知道視網膜上有感光細胞,這些感光細胞在接收到訊息之後,會把訊息傳入大腦;不過在傳入大腦之前,會先經過一些神經細胞,這其中就包括了「神經節細胞」(Ganglion cell)細胞,它們也位於視網膜上。
克夫勒當年的傑作之一,就是記錄這些視網膜上的神經節細胞,看看他們的「接受域」(receptive field)長什麼樣子。所謂的接受域,就是當施以刺激時,可以讓神經細胞產生反應的特定區域;換句話說,就是一個神經細胞可以接收到刺激的區域範圍。
用實際的例子來解釋,就是:我們可以隨便選擇視網膜上的一個神經節細胞,來記錄它的神經活動。接下來我們就可以問,視網膜哪些地方出現光的時候,這個神經節細胞會出現反應呢?這個神經節細胞,會對整個視網膜上的任何一個部位的光照都有反應?還是只會對某些特定的局部區域上的光照有反應?如果是只對特定局部位置的光照有反應,那到底是哪些區域?這個區域是圓形?方形?還是不規則形呢?
接下來的實驗過程很簡單,我們如果想要知道這個神經節細胞的接受域有多大、長什麼樣子,就可以拿一個小光點逐一去照視網膜上的每一個部位,看看照到哪邊的時候,這個神經節細胞會出現反應,最後把視網膜上的這些部位整理出來,就知道這個神經節細胞的接受域長什麼樣子了。
透過這樣的方法,克夫勒發現:視網膜上的神經節細胞的接受域,長得像是甜甜圈形式的同心圓;也就是說,如果我們把某一個神經節細胞的接受域直接標記在視網膜上,這個接受域的形狀就像是甜甜圈那樣的同心圓(或有點像舊版的五十元硬幣那樣的形狀,中間有金色圓形,外圍則是銀色一圈)。
當光照在「甜甜圈的麵包區域」時(也就是五十元硬幣周圍的銀色區域),這個神經節細胞就會活化;但如果把光照在甜甜圈的中央空洞部位(或五十元硬幣的中央金色部位),這個神經節細胞就會被抑制。這種神經節細胞被稱為是「中央關閉周圍啟動」細胞(off-center cell)。
還有另一種完全相反的神經節細胞,是當光照在接受域的正中央時會活躍,但當光照接受域的邊緣地區時則會抑制,這種神經節細胞被稱為是「中央啟動周圍關閉」細胞(on-center cell)。
克夫勒的知名科學貢獻,也就是發現了「貓的視網膜神經節細胞的接受域,具有像甜甜圈、像同心圓一樣的結構。」而當休伯爾和威澤爾在克夫勒實驗室中,拿著他們集三項神器於一身的探針儀器,準備找尋新的一批神經細胞下手時,自然就想到了一個問題:「如果視網膜上的神經節細胞的接受域具有同心圓結構,那大腦中的神經細胞的接受域,是不是也有類似的同心圓結構?」
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馬戲雜劇舞台和不斷的失敗
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休伯爾和威澤爾馬上就開始進行實驗量測。他們原本以為,有集三神器於一身的測量探針在手,應該可以馬上解答這個問題;沒想到,迎接他們的竟是一連串的挫折與失敗。
他們一開始使用的都是克夫勒的實驗設備;比方說,克夫勒用了一種貓咪頭部固定器來固定貓咪的頭部時,使貓的頭稍微朝上仰,貓的眼睛才能朝上以便實驗人員觀察光點究竟是投射在視網膜的哪一個位置。此外,由於以前的實驗都是使用圓形光點,而視網膜中的神經節細胞也似乎很喜歡這種形式的光,所以休伯爾和威澤爾當然也就順理延用。
沒想到,這些前人的成功設備和方法,到了他們手上卻一點都不管用,他們不管怎麼照貓的視網膜,視覺皮質中的神經細胞都完全不為所動。
他們記錄的第一個細胞,叫做「細胞第三千號」。之所以稱為「三千號」,是因為隔壁實驗室有另一位神經電生理學領域的世界權威 ── 蒙克梭(Vernon Mountcastle),當時他已經記錄過超過 900 顆以上的細胞;休伯爾和威澤爾知道自己再怎麼努力也追不上這個數字,只好採用阿Q精神來自我激勵一下,直接把自己記錄的第一個細胞命名為第 3000 號,第二顆就是第 3001 號。
當蒙克梭來關心他們的實驗時,他們一定會刻意報出細胞的編號,來試圖加深蒙克梭對他們的印象。雖然有這段好笑的插曲,但是不管細胞的名字怎麼取,一個月之後,他們仍然毫無所獲,這些細胞對圓形光點毫無反應。
最後,他們終於受不了,決定改變方法。他們發現,視網膜雖不是很大,但是以小小的光點逐一照視網膜,也需耗費很久的時間;而且,他們常常照到最後卻忘了自己哪個區域曾經照過。所以,應該需要換個方法才會比較有效率。
於是,他們決定放棄使用光點來照視網膜,改成直接讓貓咪去看投影螢幕上的影像;換句話說,他們想要直接在螢幕上投影,看看貓的視覺皮質中的神經細胞在看到什麼樣的圖樣刺激時會產生反應。
那要怎麼投影呢?剛剛我們曾提到,克夫勒有一個可以固定貓咪頭部的特殊固定器,它可以讓貓咪的頭和眼睛往上仰。當時因為沒有其他的固定器,休伯爾和威澤爾只好繼續使用這種固定器。為了配合貓咪的視線仰角,投影用的螢幕只能擺到天花板上才行;也因此,當時整個實驗室的天花板上放了很多竹竿跟白布,看起來就像是馬戲雜劇團的現場一樣。另外,所有人做實驗也通通要被迫配合貓咪的視線仰角,必須累得半死的一直抬頭仰望。
然而,即使換了這樣的投影方式,仍然一無所獲。他們測試過各種形狀和不同大小的光點,測試過不同的投影位置,這些視覺皮質中的神經細胞完全不為所動。他們甚至試過正妹圖,結果一樣,這些細胞總是宛如死水一灘。
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意外的發現
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當時,神經科學家都習慣把神經活動連接到音響上,只要一記錄到細胞活動,就可以聽到聲音。有一天,他們在記錄一顆視覺皮質中神經細胞時,仍採用投影片來投射圓形黑點,但是測了好幾個小時都鴉雀無聲;當他們在更換刺激材料時候,突然之間,這個細胞有如機關槍一樣槍聲大作!
這一串機關槍響後,大家先是一陣錯愕,不敢動彈,然後馬上開始尋找到底是剛剛什麼動作所造成的。在經過幾次測試後,終於謎底揭曉 ── 原來,這顆細胞是對投影片邊緣上的「直線」有反應!
當他們更換投影片的刺激時,投影片的直線邊緣會在視網網上造成直線的投影,而這種直線就是這種神經細胞所喜歡的圖形;另外,休伯爾和威澤爾還發現,這顆神經細胞只對某個特定傾斜角度的直線有反應,如果不是這個傾斜角度的直線,這顆細胞就不會有反應。
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簡單細胞
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現在我們把這種細胞稱為「簡單細胞」(simple cell)。為什麼視覺皮質裡的簡單細胞會喜歡直線?會有這種直線形態的接受域呢?大家其實只要仔細想一想,如果我們把視網膜上的神經節細胞的接收域連結整合起來,會出現什麼型態?就可以理解其中的道理了。
視網膜上的神經節細胞的接收域是小的圓形,如果把好幾個圓形排成一排串起來,是不是就會得到一條直線呢?視覺皮質中的神經細胞,基本上就是接收了一整排來自視網膜的神經節細胞的訊號,也因此,其接受域也大致就是這一排視網膜神經節細胞接受域的集合。
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複雜細胞
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除了這些簡單細胞之外,休伯爾和威澤爾後來還發現了另一些細胞,比方說「複雜細胞」(complex cell)。這種複雜細胞的接收域很有趣,只有特定傾斜角度的直線往特定方向移動時才會反應,例如某個複雜細胞可能只會在視野中出現往下移動的水平直線時才會活躍。
這種複雜細胞又是怎麼回事呢?為什麼會出現這種形式的接受域呢?有些聰明的聽眾可能已經想到答案了 ── 這種複雜細胞,基本上就是接收了來自一整排簡單細胞的訊息。只要這一整排簡單細胞依照時間順序依序反應,這個複雜細胞就會反應。
比方說,當視野中出現往下移動的水平直線時,就會有一整排對水平線有反應的簡單細胞依序變得活躍,而這一整排的訊號依序傳入這顆複雜細胞後,就可啟動這顆複雜細胞。
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大腦一關一關的逐步整合訊息
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以上,就是休伯爾和威澤爾的故事。我們至少可以從這個故事中學到兩件重要的事。第一件事,是大腦運作的原理;第二件事,是科學運作的方式。
關於第一件事:大腦運作的原理,上述發現解釋了大腦如何在簡單的「分析」和「整合」之後,從視網膜到視覺皮質的短短幾道程序,就出現了由簡單到逐漸複雜的訊息處理過程。
視網膜第一關有「感光細胞」,經過簡單的區域彙整之後,到了視網膜下的「神經節細胞」就已經可以處理圓形;到了「視覺皮質」,就可以再把一些排成一線的圓形整合起來,處理直線和傾斜角度;再到下一關,把一排直線依照時間順序整合起來,就可以處理方向動態了。
所以說,我們處理複雜圖形的方式之一,或許就是透過這樣的資訊拆解,然後再逐步整合而已!畢竟,再複雜的圖樣,也可以拆解成圓形、直線和動態的組合,最後被大腦輕鬆處理。
第二件事,是關於科學運作的方式。許多人常常會說,休伯爾和威澤爾的發現,就是「偶然勝過努力」的例子!但是事實上,休伯爾自己並不認為這只是偶然的發現。
休伯爾認為,他們的發現確實是出乎他們的預期,但是卻一點都不偶然,因為他們已經嘗試過各式各樣的可能錯誤,當各種可能的錯誤都試過之後,成功的可能性自然就會增加。他們以靈活而非制式死板的方式進行實驗,可能就是意外結果得以出現的關鍵。雖然神經細胞的運作方式最後出乎他們的預期,但是這樣的發現總歸是多元努力嘗試後的結果,可不是偶然在街上就可以瞥見的喔!
貓的諾貝爾獎故事還沒完,敬請期待下週《大腦好好玩》第一季最後一集:裂腦貓!
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當Gay不是後天選擇,而是先天遺傳的嗎?
如果是後天選擇的,那為什麼沒辦法把Gay變回異性戀?
又如果是「先天遺傳的」,那就更怪了,因為同志不會自己生小孩,那遺傳的力量應該無計可施。
照理來說,Gay 早就該絕種才對
不過神奇的是,同志行為不但沒有消失,反倒出現在幾乎所有動物身上
聽起來,這好像是一個超級不合理的事實,不過它卻可以被一個簡單的解釋優雅的解決
實際上,自然界對這同志這件事做了一個非常巧妙的設定,內容在影片中,這就是Howard這次的生物學的期末報告 (撒花轉圈圈)
影片腦補小教室:
01:28
蜘蛛跟魷魚絲一樣, 都是蛋白質組成的(咳), 它的強度不但高過鋼鐵, 而且質量極小, 繞地球一圈的蜘蛛絲重量, 低於一杯中杯珍奶 (500cc)
03:20
適者生存, 又稱天擇說, 應該算是史上最重要的一條生物定律, 它解釋生命的樣貌是流動的, 而不是永遠不變, 包括我們人類, 也是由單細胞生物演化成魚, 爬到陸地上, 變成猩猩, 最後才變成今天這個樣子
這讓亞當跟夏蛙聽到可能會覺得很不爽 (我知道我知道) !
03:22
天擇說理論在一百多年前(1859)被達爾文所發表
其實應該要更早, 因為在那時候的社會價值還是以上帝造人為主流, 可能達爾文當時也怕自己被暴民亂棒修理吧, 所以一直把這個想法藏到他50歲才公諸於世.
不過, 這個假設隨著陸續出土的證據跟研究, 如今變得越來越堅不可破.
03:24
"正向基因突變" 講的就是可以增加你 "生存率" 或者 "交配率" 的基因, 可是, "正向"這兩個字並不是絕對的, 聽起來有點模糊哦 w(゚д゚)w
讓我們用 " 白化症 (白子) " 的例子來說明吧 !
白化症是一種會讓你全身色素變不見的基因突變, 假如你有這種基因, 那你整個人就會看起來白白der(就像通天神探狄仁傑裡面的斐東來).
如果這種壯'況發生在非洲狐身上, 那我們會把它視為是一組具有毀滅性的基因; 因為牠在土黃色為主的非洲平原上走跳, 還把自己弄得白拋拋, 這等同掛了一面 吃我吃我 的牌子再身上.
可是, 如果它發生在北極狐身上呢? 我們就會當它是所謂的正向基因, 因為在北極, 白化症會變成一種保護色, 方便牠們掠食或逃跑, 接下來牠以後生的孩子會有潛在的白化症基因.
順道一提, 我們現在看到的極地動物, 很多都是白化症的產物
04:35
E.O威爾森是哈佛大學的生物學榮譽教授, 也是島嶼生態學 (Insular biogeography) 的創始人之一. 他曾多次獲得美國國家級的獎章. 論人性 (On Human Nature) 是他於1978年時的一部著作, 獲普立茲獎
影片中我提到很 " 理論" 跟 "假說"這類的詞, 可能會讓人覺得 "只是理論 " ,
個人以為這樣不太公平
因為沒有人可以活在生命的開端 (約35億年前), 然後全程記錄宇宙的始末. 理論的出生, 是人類為了說明某個現象所發展出來的解釋, 它必須受到現實非常嚴格的檢視. 借用一個科學家的話來作結, 他說:
這個世界的規律, 是眾神正在下的一盤棋, 而人類在一旁邊看邊猜它的規則, 如果你看到皇后把主教吃了, 你會說皇后比主教大, 可是接著你又看到主教把皇后吃了, 那你的說法 (假說) 就必須修改, 直到遊戲結束, 所有的規則 (理論) 都能完全符合你的觀察為止, 大致上, 我們所說的科學理論就是這麼一回事, 只是真實的狀況比下棋複雜太多了(Richard Feynman)"
以下是影片參考內容跟資料來源 :
http://www.independent.co.uk/news/science/billions-of-insects-are-having-gay-sex-accidentally-say-scientists-8897190.html
(Billions of Insects Are Having Gay Sex "Accidentally" Say Scientists)
https://www.sciencedaily.com/releases/2013/10/131021131009.htm
(Bugs Not Gay, Just Confused)
http://www.livescience.com/38931-insect-gay-sex.html
(Why Insects Have Gay Sex)
http://phys.org/news/2013-10-homosexuality-insects-spiders-case-mistaken.html
(Research Finds That Homosexuality in Insects and Spiders is a Case of Mistaken Identify)
Wilson, Edward O. On Human Nature. Cambridge: Harvard UP, 2004. Print. (論人性, 關於同志的解釋在第六章 "性")
很多想法跟解說方法都是下面幾本書給我的靈感, 比照誠信SOP規定, 信譽必須歸還給原作者 :
Brookes, Martin. Fly: An Experimental Life. London: Weidenfeld & Nicolson, 2001. Print.
Dawkins, Richard. The Blind Watchmaker. New York: Norton, 2013. Print.
Dawkins, Richard. The Selfish Gene: 30th Anniversary Edition. Oxford: Oxford UP, 2006. Print.
Moorehead, Alan. Darwin and the Beagle. New York: Harper & Row, 1969. Print.