2016年3月12日 星期六

為甚麼我會是一個路痴?

BB,點解你咁蠢嘅?你係咪路痴呀?」

這是女朋友最愛問我的問題。

其實細想一下,為甚麼我會是一個路痴,這是一個很高層次的問題呀,簡直是一個諾貝爾獎級難度的問題。

想當年,2014年諾貝爾生理醫學獎,就是頒結了幾位研究這問題的科學家。

他們藉著研究把電極放入老鼠腦部,發現了動物(及人類)認路的方法。原來我們之所以能夠認路,靠的主要是兩種腦細胞,分別是place cellsgrid cells

Place cells
位於海馬體(hippocampus)中,每個place cell負責一個特定的地區範圍,我們稱那個範圍為place field。科學家發現,如果老鼠處於某個place field之中,那麼負責該place field的細胞就會開啟,變得活躍。舉個例子,如果我把老鼠放在我睡房中,而睡房位於place field A,那麼負責place field Aplace cells就會活躍起來,那麼老鼠就會知道自己位於我的睡房。如果我把老鼠放在廚房中,而廚房位於place field B,那麼負責place field Bplace cells就會活躍起來,老鼠就會知道自己位於廚房。

總之place cells有點像GPS定位系統,每個place cellGPS地圖上的一細點。只要你到達某個地方,它就會告訴你。「你現在在醫院病房」、「你現在在家的廚房」、「你現在在商場鞋店」...但當你去到一個新環境時,place cells會重新定義,重新組成自己的place field。那情況就好像你用GPS定位系統,灣仔區有灣仔區的地圖、沙田區的地圖、旺角區有旺角區的地圖,當你從灣仔去到旺角,GPS系統就會轉換去使用另一地圖。同樣道理,當你從自己家去到女朋友家,place cells就會由你家的place field從新設定至女朋友家的place field。但舊的設定是隨時可以召回的,當你到女朋友家後,之後再帶她回到自己家纏綿,聰明的place cells又會回復原來的設定,負責你家裡不同位置的place field

place cells是靠甚麼去知道自己位於某個place field中呢?科學家又發現place cells和很多感觀腦細胞都有密切聯繫,所以我們的視覺、聽覺、嗅覺資訊,都會被傳達place cells,幫助我們得知自己的位置。

科學家又發現當他們損害老鼠的海馬體(place cells的所在地)後,老鼠就再認不到路了。這再進一步證實了他們的理論。

place cells只能告訴你「你在甚麼地方」,卻不能告訴你「你在沿甚麼方向移動」或「怎樣從地方A行到地方B」,所以它這是一個功能不完全的GPS系統。

而具有方向導引功能的細胞要在發現place cells30年之後才被人發現。它們名叫grid cells,位於大腦的內嗅皮層(entorhinal cortex)中。下圖是海馬體(place cells所在地)及內嗅皮層(grid cells所在地)的位置,我們可以看到它們很接近。


Adapted from “A pathophysiological framework of hippocampal dysfunction in ageing and disease”, by A. S. Scott, A. S. Scott, B. B. Richard, P. W. Menno & A. B. Carol, 2011, Nature Reviews Neuroscience 12, p. 585-601

有別於place cells,一個細胞對應一個位置,grid cells一個細胞對應很多不同區域,這些區域以六角形的方式排好,就如下圖所示。

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

Adapted from “Passive Transport Disrupts Grid Signals in the Parahippocampal Cortex” by S. S. Winter, M. L. Mehlman, B. J. Clark &J. S. Taube, 2015, Current Biology.

所以你在任何一個六角形點上,grid cells都會變得活躍,也就是說你不能依靠grid cells得知自己的確實位置。

那究竟grid cells有甚麼用途呢?原來很多不同的grid cells交集在一起,我們就可以藉此得知移動的方向。

以下圖為例,

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

如果grid cells活躍的次序是A()->B()->C()。那我們是完全不能確認自己位置的。因為單看上圖我們已經看到7個不同紅點,7個不同綠點和7個不同的藍點。但我們卻可以知道移動的方向--左下方。只要結合place cells告訴我們的絕對位置,我們就可以得出一個很完美的GPS定位系統。

如果我們用數學概念理解,place cells可以結我們一個坐標,grid cells可以給我們一個displacement vector。再說的簡單一點,「我在位置A,向前行100米,就會到達位置B。」中,「位置A」及「位置B」這兩個資訊來自place cells,「向前行100米」這個資訊來自grid cells

Adapted from “Human Grid Cells”, by J. Kubie, Retrieved from http://blog.brainfacts.org/2013/08/human-grid-cells/

發現這兩種細胞,有助我們了解很多醫學問題,例如腦退化症的病人為何較易迷路。這是因為腦退化症影響海馬體,而海馬體含有place cells。當place cells再不能正常運作時,病人就會迷路。

這個發現同時也可以幫助史丹福回答女朋友的問題。當女朋友下次再問:「小蠢,點解你係路痴?」

我就可以回答:「簡單,因為我的place cellsgrid cells比較弱。」



參考資料: 
1. O'keefe, J., & Dostrovsky, J. (1971). The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat. Brain Research,34(1), 171-175.


2. Hafting, T., Fyhn, M., Molden, S., Moser, M., & Moser, E. I. (2005). Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex. Nature, 436(7052), 801-806. 

2016年3月10日 星期四

又抽血?!比你哋抽到貧血啦!

「又抽血?!比你哋抽到貧血啦!」

這是我們為病人抽血時常聽到的說話,但究竟抽血會否引起貧血? 好,讓我們看看數據。有人做過研究,發現每抽100mL的血,血色素平均會降低0.7g/dL。每枝血約3mL,所以每抽一枝血平均令血色素下降大約0.02g/dL,要抽50枝血才會大約跌1g/dL血色素。正常健康女性血色素12-16g/dL,男性13.5-17.5g/dL,但在醫院中的病人大多體弱多病,營養不夠,或多或少都有一定程度貧血。一般臨床來說血色素高於8g/dL還是可以接受的,如果低於8g/dL就比較不理想,可能會有較嚴重的貧血症狀(頭暈、疲倦、心跳加速),就需要輸血。以女性為例,從12g/dL跌到8g/dL,要抽200枝血。以男性來說,從13.5g/dL跌到8g/dL,要抽275枝血。如果大家有試過捐血,每次會捐350mL或450mL,視乎體質而定,抽血大約要抽117枝血才等如捐一次血。所以,小弟不敢說抽血不會抽至貧血,但真的要抽很多很多很多,幾百枝血才會貧血呀。每日抽幾枝,實在是微不足道,是無足輕重呀。

另外有一些病人常見關於抽血的謬誤,史丹福順便澄清一下。

「醫生,我低血壓呀,仲抽血?!」

這其實不無道理,低血壓最重要的原因就是失血,但抽血可以引起低血壓嗎?又讓我們研究一下。 要引起低血壓,大約要失人體15%的血,如果失血不多,身體可以輕易調節。人體有6升血,失15%又就是900mL,也就是要抽300枝血(一枝3mL)才可以把病人抽至低血壓,那比抽至貧血更困難。

「又抽血?!尋日咪抽咗囉!你哋啲醫生咁鍾意抽人血!」

幫病人抽血,最痛心的就是聽到這句。首先,沒有醫生會喜歡抽血,我們抽血不是因為我們喜歡,而是因為病人需要。當我們有過百樣工作在等我們做的時候,每一分鐘也是很寶貴的,而抽血是很花時間的,幫病人抽一次血,用5分鐘,這5分鐘已經可以看30個blood result,出10張X-ray,過5張藥紙,出3張consultation,處理2個minor ward complain,打1個discharge summary,或收好半個症。所以我們必須再強調抽血不是因為我們喜歡,事實上我們非常不喜歡,但我們仍然要抽,因為病人需要,我們想醫好病人。

血指數是會每天變化的,昨天的結果與今天的結果變化可以很大。如果一個健康病人,血指數非常正常,我們是不會每天驗他們血的。如果昨天抽完今天再要你抽,大多是因為你昨天的指數差,我們要知道醫治後你有沒有好轉或者轉差;又或是你病情有一些新轉病,我們要驗多幾種血去做更好的診斷。

其實大部分醫院都有抽血員幫手抽血的,如果醫生親自幫你抽血,可能是你的情況非常緊急;可能是要驗的血比較特別,抽血員不懂得抽;又或者抽血員試過抽但抽不到。不論怎都好,如果醫生親自幫你抽血,那代表醫生一定是很重視你的。

我也明白住醫院很辛苦,但醫生工作幾十小時也是不容易的,所以希望大家至少可以互相尊重一下。如果下次醫生幫你們抽血時,盡量與醫生合作,不要說令他們痛心的說話。特別在半夜的時候,因為醫生可是犧牲了自己絕無謹有的睡眠時間來幫你的。

2016年3月5日 星期六

那個令人心動的時代 --分子生物學 2

上回說到,華生及克拉克終於發現了DNA的結構。這發現在生物學的意義,簡直就如牛頓發現萬有引力一樣偉大。牛頓發現的萬有引力,統一了天與地。他令我們知道,天體的運行並非人類遙不可及的,它們其實與地上的物件,以一套規則運作。同樣的,華生及克拉克發現的DNA結構,統一了生與死。他令我們知道,生命也並非遙不可及,它與其他所有物件一樣,以同一套物理化學規則運作。原來生命的秘密,是建基於我們都認識的化學及物理。

發現DNA結構是分子生物學的一大高峰,但原來高峰過後是更多的高峰。

分子生物學史上最美麗的實驗

DNA的雙螺旋結構給了科學家無窮的想像空間,特別在DNA的複製方式上。華生及克拉克覺得,DNA由兩條互相對應的螺旋組成,它們彼此是彼此的倒模,這個結構一定有其含意。它們就像鎖與匙,只要你有鎖,就可以配出相對應的匙;只要你有匙,就可配出相對應的鎖。只要把DNA雙螺旋拆開,每條螺旋就可以複製出新的螺旋,所以新複製的DNA,有一半是原有的樣版,另一半是新複製出來的。這個模式,被稱為「半保留式」(semi-conservative)

當時科學界尚有另外兩個DNA複製方式的猜想。一為「保留式」,即一對DNA完全地複製出另一對DNA。新複製出來的DNA,是全新的,完全沒有舊有成分。另一種為「分散式」,也就是每一對DNA先為成分成一節節(仍是雙螺旋的),每一節都個別進行複製,新複製出來的DNA就會由一節節新的及舊的DNA,梅花間竹地組成,就如串燒一樣。這個概念比較複雜,有點難解釋,還是參考一下下圖比較好。


這三種猜想中,當然以華生及克拉克的「半保留式」最為美麗,它是從DNA結構中最直觀地得出的猜想。而這個美麗的理論,自然需要一個更美麗的實驗去驗證。

這個實驗由「噬菌體集團」的梅瑟生(Matthew Meselson)及史達(Franklin Stahl)所設計。「噬菌體集團」人才輩出,上一回我們已經去到他們集團做的很多重要發現,今回他們又更上一層樓。

大家都知道人在死海中特別容易浮起,那是因為死海的鹽份非常高,所以海水的密度也很高。人的密度比海水的密度低,所以可以浮起。梅瑟生和史達做的實驗就是運用了這原理,他們用了一種很重的鹽,叫氯化銫(caesium chloride)(熟悉化學的朋友可能知道銫caesium是自然存在的group I metal中最重的)。由於氯化銫很重,他們的溶液密度也很高。他們再把溶液放進離心機中旋轉,密度最高的溶液會沉在底,密度最低的溶液會浮在面。這時候,我們只要把物質放進經離心的氯化銫溶液中,看看它們浮在甚麼地方,就可以知道物質的密度。

我們知道氮有兩種同位素,N-14N-15N-14的密度比N-15低,所以以N-14組成的DNA會在溶液中的較高的地方,以N-15組成的DNA會沉在較低的地方。為了方便解釋,我們假設N-14 DNA位處的地方是0N-15 DNA位處的地方是1

精彩的環節開始了。梅瑟生及史達把大腸桿菌放在含有N-15的培養液中,所得的大腸桿菌DNA都由N-15組成,應該會在1的位置。然後他們把這些已有N-15 DNA的大腸桿菌再放在含有N-14的培養液中,讓大腸桿菌複製DNA。如果DNA以「半保留式」複製,新複製的DNA會有一條螺旋由N-14組成,另一條由N-15組成,所以DNA的密度界乎兩者之間,在氯化銫溶液中會停在0.5的位置。如果DNA以「保留式」複製,那樣新複製的DNA會全部又N-14組成,新DNA會停在溶液中0的位置。如果DNA以「分散式」複製,那樣新複製的DNA會由梅花間竹的N-14雙螺旋及N-15雙螺旋組成,像串燒一樣,N-14N-15各一半,所以新DNA會停在溶液中0.5的位置。梅瑟生及史達發現,大腸桿菌新複製的DNA是在0.5的位置,所以我們已經可以排除「保留式」。

接著他們把實驗繼續,讓大腸桿菌繼續在N-14培養液中複製。如果DNA以「半保留式」複製,新複製出的DNA有兩種可能性;一是以N-14螺旋做樣板,複製出另一條N-14螺旋,新複製出的DNA會完全由N-14組成,會停在氯化銫溶液中0的位置;另一可能性是以N-15螺旋做樣板,複製出一條新N-14螺旋,新複製出的DNA會由一條N-14螺旋及一條N-15螺旋組成,N-14N-15各一半,會停在氯化銫溶液中0.5的位置。如果DNA以「分散式」複製,新複製出的DNA仍是如串燒般,但這條串燒中N-14佔四分之三,N-15只佔四分之一,所以會停在溶液中0.25的位置。那情形就好像你有一條雞肉串燒,你吃了一半,但之後增添豬肉,那麼新的串燒會有一半雞肉一半豬肉。然後你再吃一半(其中一半是雞肉,一半是豬肉),卻繼續只增添豬肉,新的串燒會有四分之三是豬肉,四分之一是雞肉。




當然,實驗的結果是新複製出的DNA有一半在0的位置,有一半在0.5的位置,並沒有DNA0.25的位置。這就證實了華生及克拉克的「半保留式」猜想。實驗的結果如下




這個實驗是多麼的精彩,多麼的美麗。以一個如此美麗的實驗去證明一個如此美麗的理論,實在是令人賞心悅目。這個梅瑟生-史達實驗,也被後世稱為「分子生物學史上最美麗的實驗」。這可不是史丹福誇張的入修辭手法,而是科學界公認的。

信息的使者

DNA的運作模式慢慢被分子生物學家逐一擊破。當知道了它的複製模式後,下一個目標當然是它如何製造蛋白質。

傳統智慧認為蛋白質是直接從染色體中的DNA上合成的。可惜傳統智慧大多是錯的。把這傳統理論打破的科學家名叫詹美尼克(Paul Zamecnik),他把老鼠肝細胞打碎並進行離心,把細胞中的不同成分分開,製造了所謂的「無細胞(cell-free)系統」。「無細胞系統」把複雜的細胞內部簡化了,因為它移除了細胞中的薄模,把細胞中的成分都分門別類地整理得井井有條。詹美尼克之後把「無細胞系統」放在含放射性元素的氨基酸中培養,他發現放射性先出現在核糖體(ribosome)上,之後分離並進入細胞質(cytoplasm)中,也就是說蛋白質是在核糖體中合成的,然後在完成後就會被釋放到細胞質中。而DNA是位於細胞核(nucleus)中,所以蛋白質並不是直接從DNA上合成的,而是有一種中介物質,把DNA上的遺傳信息從細胞核帶到核糖體中。這種物質就是DNA合成蛋白質理論中缺失的一角,是DNA至蛋白質之暗的missing link

核糖體的主要成分是rRNA (ribosomal RNA),有科學家於是提出,也許是rRNA把遺傳信息從細肥核中DNA帶到核糖體中。但這理論有一缺憾,假如遺傳信息是由rRNA㩦帶的,那麼不同的蛋白質便需要不同的核糖體,不同的rRNA來合成,而事實是核糖體只有一種,它所含有的rRNA成分都完全相同,所以遺傳信息不可能是透過rRNA㩦帶的。

我們先把時間推回1953年,大家還記得上回提及的Hershey? 不是指Hershey朱古力,而是用放射性的磷及硫研究噬菌體,證實DNA是遺傳物質,來自「噬菌體集團」中的賀西(Alfred Day Hershey)。他那個實驗其實還有另一個較不為人知的發現,他發現細菌被噬菌體感染後,會製造出一條很小的RNA片段,在細菌一被感染之後立即開始合成,而且合成速度很快。

之後另一個值得一提的重要實驗是「睡衣實驗」。世界上有很有愛的密友拍檔組合,政壇上有周永康、岑敖暉;超級英雄界有Captain AmericaWinter Soldier;偵探界有福爾摩斯與華生。分子生物學界除了有上回提及的華生與克拉克外,另一對羨煞旁人的「神仙眷侣」就是雅各(Francois Jacob)與莫諾(Jacques Monod)。他們一起研究性交多年,不過對象就不是人類,而是細菌的性交,這個大名鼎鼎的實驗就是「睡衣實驗」。這個實驗是分子生物學中其中一個最重要的實驗,但比較複雜,下次再詳細介紹。

之後在劍橋大學有一次學術小聚會,聚集了不少分子生物學界重量級的人物,他們留意到「睡衣實驗」及賀西的發現,當時大家都看不透這些實驗的意義及當中的關係,仍墜在五里霧中。克拉克也是會議的主角之一,他嘗試總結這些新實驗成果,突然靈光一閃,想到也許把DNA上的遺傳信息從細胞核帶到核糖體中的中介物質就是賀西發現的,在細菌被噬菌體感染之後立即開始合成的RNA。這RNA不是rRNA,而是一種全新的,不穩定的RNA,帶著與DNA相對應的基質(base),它可能做好幾個蛋白質之後就會自行分解。而且每種蛋白質都有相對應的,不同的這種新RNA

克拉克是理論專家,實驗卻不是他在行的東西。(還記得當年他發現DNA結構嗎? 實驗基本上都是富林克林做的。)但劍橋聚會中的另外兩位科學家,雅各(做「睡衣實驗」的那位科學家)與布瑞納(Sydney Brenner),他們卻是最頂尖的實驗高手,他們已經想到一個實驗去證實這個猜想,但會需要用到氯化銫密度梯度的技術,所以他們也邀請了梅瑟生(設計「分子生物學史上最美麗的實驗」證實DNA複制是「半保留式」的那位科學家)加入他們的小組,一起做這個實驗。

現在他們小組有世上最頂尖的分子生物學實驗高手(雅各、布瑞納、梅瑟生),又有世上最頂尖的實驗技術(氯化銫密度梯度、噬菌體、放射性同位素標記),尋找生命中的信息使者的實驗已經蓄勢待發。

實驗的做法如下:

他們先用重同位素(N-15C-13)去培養大腸桿菌一段時間,令大腸桿菌的成分都充滿重同位素組成。然後再用T4噬菌體去感染大腸桿菌,令大腸桿菌有全新的來自T4噬菌體的DNA,並立即把它們轉到輕同位素培養液中。而培養液同時含有放射性的uraciluracil是一種只出現在RNA的成分,所以新合成的RNA都會帶有放射性,方便追縱。

如果把遺傳信息從DNA帶到核糖體中的使者是rRNA,那麼大腸桿菌必須要合成新的rRNA才能開始製造新蛋白質,而新rRNA是在輕同位素環境中合成,所以核糖體必定是輕的(rRNA都在核糖體中)。但雅各、布瑞納及梅瑟生把大腸桿菌成分放到氯化銫溶液中離心,發現所有核糖體都是由重同位素組成的,並沒有輕的核糖體,所以信息使者不會是rRNA


他們發現新合成的放射性RNA都出現在重的核糖體,也就是舊的核糖體中,也就是說細胞只需舊的核糖體就可以做到新的蛋白質。所以核糖體只是一個做蛋白質的工廠,本身不帶任何信息。這情況好像你把USB「手指」插到電腦中,打印機就可以印「手指」入面的檔案。你插隻新「手指」,就可以印新的檔案。但你印新的檔案,是不需要新的電腦或新的打印機的,用舊有的已經可以了。而核糖體就是電腦與打印機,USB「手指」是一種全新發現的,之前預測的不穩定RNA

他們又發現新的RNA與大腸桿菌的DNA完全不相關,反而與T4噬菌體的DNA互相對應,因此把T4噬菌體DNA遺傳信息帶到大腸桿菌核糖體的使者,就是這種新RNA。之後,這種新RNA被正式命名為信使RNA (messanger RNA,簡稱mRNA)



就這樣,科學家們又解開多一個生命之謎。繼發現生命的秘密都儲在DNA後,他們又發現了生命的信使mRNA。之後還有甚麼生命之謎等著被發現呢?

下回預告

今次我們不夠時間詳談研究細菌性交的「睡衣實驗」,下回將會詳盡介紹。而更令人興奮的是下回DNA的密碼終於正式被完全破解!欲知後事如何,且聽下回分解。