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大腦內的新神經細胞–增加學習能力與修補腦傷的契機?

生物醫學系 黃國正 教授

         

   還記得念大學時,課堂上師長告訴在台下的我們:「大腦的神經細胞數量從出生至發育完成後就固定了,神經細胞數目無法再增加,只會不斷地死亡,所以你們一定要好好照顧自己的大腦。」不知道為何,這句話往後多年一直深刻地印在我心裡。依照那個時代對於神經新生的認知,師長所說的並沒錯,而當代教科書也如此記載著,我也一直將之奉為圭臬。多年後念博士時,指導教授要我研究成年後大腦的神經新生,我當下十分困惑,心想成年的大腦還能有新的神經細胞出生嗎?

  基本上,神經新生(Neurogenesis) 指的是神經細胞由神經幹細胞和前軀細胞所分裂分化而來的過程,而神經新生在胎兒發育時期最為活躍,因為此時正在成形的大腦需要非常大量的神經細胞形成。當哺乳動物成年之後,大腦發展大致成熟時,神經新生的程度就會明顯下降,大部分的腦區不再有新生神經細胞產生。早在1960年代,Joseph Altman是第一個提出成年哺乳類腦中有新的神經細胞生成的學者,他做的一系列實驗發表了多篇成果在國際知名的期刊,可惜他的研究結果並未被當代科學界所重視,大部分科學家仍認為哺乳動物在成年之後大腦內就不再有新的神經細胞產生。隨著科學進步與技術改良,終於在1990年代,愈來愈多的科學家證實了成年後大腦神經新生的存在,從此這研究領域吸引了大批的神經科學家投入研究。

   於成年後大腦中仍然持續有神經新生的位置並不多,主要分為兩區,其一是位於海馬迴內的齒狀迴(dentate gyrus,簡稱DG),長期以來海馬迴一直被認為是負責學習和情緒反應的神經核;另一區則是位於側腦室下區(subventricular zone, 又簡稱SVZ),此區大部分的細胞會遷徙至嗅球。此兩區新生的細胞約有60%在剛生成的四周內會死亡,其餘的則會成為具功能的神經細胞且整合進入腦部迴路之中,另外少數新細胞則變成神經膠細胞。成年後大腦神經新生的速率會受到許多因素影響,並非維持於穩定的狀態。科學家發現外在環境、物理運動、藥物以及荷爾蒙等因子都會影響到大腦的神經新生程度,例如運動能顯著增加海馬迴內的神經新生,而在長期受到壓力的情形下神經新生則有減少的現象,又例如抗憂鬱劑等藥物的使用會增加神經新生。此外,除了環境因素,基因遺傳也是影響神經新生重要的因子,隨著生物晶片與DNA定序技術的快速進展, 相信在不久的未來將能夠列出哪些基因對神經新生有著舉足輕重的角色。

  雖然已知有神經新生的現象,但這些新生成的神經細胞是否具有生理功能又是另一個問題。電生理的研究證實這些新生成的神經細胞具有神經電生理的特性,也就是說至少這些細胞是有神經傳導功能的。然而這群年輕的新生神經細胞並不完全與腦中成熟現有的神經細胞相同,雖同樣具有正常電生理特性,但科學家發現新生神經細胞具有較低的神經衝動閾值電位,換句話說,在較弱的前神經元刺激之下,年輕的神經細胞較容易成功產生動作電位,且放電速率也較原有成熟神經元高,也因為這些不同的神經元特性,許多科學家開始在探討這些新生的神經細胞是否在腦內扮演著特別的角色,因此尋找這些新生成的神經細胞功能為何成為下一個重要的議題。

為了研究新生神經細胞的角色,科學家們在不影響原有成熟神經細胞的情況下,利用各種方式將新生神經細胞移除,來探討新生成神經細胞的功能為何。近幾年來研究發現,將成年小鼠海馬迴神經新生移除之後,小鼠對於抗憂鬱藥物不再產生行為上的改變,因此部分科學家相信神經新生與憂鬱症的生成及治療有一定程度的相關性,但確切的原因與機制仍須更多的研究來確認。此外,許多研究也發現,停止腦內的神經新生,海馬迴相關的學習記憶能力也隨之下降。除了探討新生神經元在大腦扮演的基本角色之外,另一群科學家正積極地利用內生性的神經新生來達成修復大腦損傷的目的。目前科學界發現腦部受損後,SVZ的神經幹細胞會增生並遷徙至受損的區域分化成神經細胞,至於這些遷徙至受損區域的新神經細胞是否具有功能,仍須更多的研究來解答。神經幹細胞的研究與治療上的應用,對於中風、帕金森氏症、阿茲海默症等目前束手無策的中樞神經疾病開啟了一扇窗。

        神經新生相關研究已經在神經科學領域活躍了二十幾年,但仍然存在許多未解開的問題,如果未來可以更充分地了解神經新生在腦內的運作機制,並進而操控神經新生的數量與位置,說不定不久的將來可以利用神經新生來增進我們的學習記憶能力,控制精神情緒,甚至對於一些與大腦相關的損傷與疾病提供更有效的治療方式。

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