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江安世 小資源大志氣揚名國際

86 世界第一個腦神經網路基因3D影像虛擬實境

林明定
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林明定

2010-08-27

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江安世 小資源大志氣揚名國際
 

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本文出自 2010 / 8月號雜誌 新台灣之光100

這是清華大學生命科學院江安世教授在清大腦科學中心成立的揭牌儀式,公布世界第一個腦神經網路基因表現3D影像虛擬實境系統,把遠比縫衣針頭還微細的果蠅腦袋中,嗅覺神經密密麻麻交織與訊息傳遞的網絡,立體、清晰地浮現世人面前。

螢幕上的圖像,解析度比核磁共振影像高出一萬倍,這是目前國際上第一個能達到分子層次的生物顯微影像技術。

不要懷疑,這是早在2004年2月就完成的事情,整整比2009年的電影《阿凡達》帶起3D風行時間提早五年。

「我這輩子沒見過這樣美妙的東西!這是基因組計畫之後要延伸的研究,基因定序解碼後,我們下一步要知道基因如何運作和表達。」

2008年6月,當高齡80歲世界基因之父、諾貝爾獎得主華生(James. D Watson)在美國冷泉港實驗室,看到腦組織內細胞分子間的立體分布如此地一目瞭然,當天晚上就邀請江安世夫婦到家中作客,「像歌迷被崇拜的歌星挑中,感覺就好像在作夢一樣,」江安世回憶說。

華生今年4月旋風般來台演講,在接受《遠見》獨家專訪時透露,他真正目的其實是來探究江安世的實驗室。 「這是個了不起的研究,台灣的『大腦』是台灣能貢獻世界科學的地方!」華生說。

又7月23日登場的台灣生技展,近五年來,從沒有出現過總統蒞臨,但被大會特選為今年「大會之星」的「果蠅3D大腦透視系統」,終於讓馬英九總統「親自出馬」,為見證這個台灣驕傲而前來進行剪綵。

江安世這項腦科學研究,今年一舉成名天下知,一躍成為國際醫學界的閃亮新星,但這項成果卻是歷經十年的寒窗努力。

「果蠅腦內嗅覺神經網路地圖」,2007年3月在國際頂尖學術期刊《Cell》發表(SCI影響係數29分),是台灣科學界有史來第一篇獨立完成的Cell論文。

長年來,台灣科學界致力達成國際間三本最重要與權威的學術期刊《科學》(Science)、《自然》(Nature)與《細胞》(Cell)皆能刊登台灣本土學者論文的目標,終於有了突破。 除此之外,江安世同時在研究中發現果蠅長期記憶與中短期記憶分別儲存在不同腦區,這項成果也在同年5月發表在過去以來台灣一樣掛零的神經科學權威期刊《Nature Neuroscience》,更因為推翻之前科學家認為果蠅記憶都儲存於大腦蕈狀體,而轟動國際生物學界。

事實上,江安世締造的台灣之光紀錄是更早於博士生期間。

江安世回憶,小時候每抓到小昆蟲就會找放大鏡來瞧清楚,但自己一路求學到中興大學昆蟲系時,其實都還「不開竅」。

考上台大植物病理研究所後,對學術追求也還沒太多理想。但在修電子顯微鏡課程時,看見當時是中研院動物研究所研究員的老師李文蓉,「教學認真又樂在其中,當學者好像可以很悠閒地做自己想做的事,」讓他開始認真考慮走學術路線。

之後申請到美國羅格斯大學(University)修昆蟲學博士,師承鑽研讓許多女生看見就會尖叫的「蟑螂」天才教授寇比.薛爾(Coby Schal),「他在森林裡看見野生蟑螂觸角稍微一動,就知道蟑螂在唱歌,」江安世佩服不已,也體驗到做生物研究不是小朋友蒐集昆蟲的愛好就行,要用科學方法有系統地驗證自己的推論。

「他做得到,為何我做不到?」江安世開始整日與蟑螂為伍,並且還進一步直搗最困難的「腦神經」研究。

最後,《蟑螂腦神經內分泌》研究論文不僅讓他在兩年之內就獲得博士學位,奠定了他往後專注神經學的研究領域,還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。

把冷門研究變關鍵核心

回國後到清大任教的江安世,每到實驗室裡就問自己,「什麼研究是沒有我做,就會有差別的?」不想跟著熱門走的念頭,讓他一頭栽進樣本製備、增加組織透明澄清的研究裡。

「傳統實驗室裡採集的組織樣本經過固定、脫水、澄清、加熱、染色等程序,組織成分與型態已經扭曲變形了,」專供組織病理學的他,體會了組織透明澄清的重要性,因為樣本愈自然,愈能保持生物化學與結構性。 「很多生物像水母和一些昆蟲、魚不都是透明的嗎?如果我發明一個能讓生物組織透明,在不傷害細胞下又可以看到細胞裡的分布呢?」江安世笑稱,這是他當時養的「寵物專案」(Pet Project)。因為太非主流了,根本申請不到經費,只好靠自己行有餘力和餘暇慢慢「餵養」。

為了讓組織變得更加透明,江安世說自己一定很像「巫婆」,不斷嘗試各種染劑的調配、各式各樣化學劑的測試,還為了一個古老的「祕方」,1997年升任教授這年遠赴法國。

2001年,FocusClear終於在實驗室裡誕生了,把一顆約莫0.15公厘的果蠅腦組織樣本滴上FocusClear後,「在共軛焦顯微鏡下細胞內各項結構、分子甚至離子的立體分布和瞬間變化清晰、透明,」江安世忍不住驚呼!

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這時,全球正值基因解碼熱潮,但「熱門之後呢?」緊接著一定是要瞭解基因的功能。江安世很快把FocusClear變成腦科學研究的利器,並組織團隊投入建構果蠅嗅覺的腦神經圖譜。

有了FocusClear這個舉世無雙的核心關鍵,台灣也搶先國際成為腦科學的國際研究重鎮。

以開發阿滋海默症新藥而聞名的前冷泉港實驗室腦科學研究員提姆.塔里(Tim Tully)推崇說:「從二維的基因序列解讀,進入到三維的基因表現影像。未來,若是能成功利用顯微影像技術建構小鼠與人類的腦神經網絡圖譜,影響力可以等同人類基因組計畫對生命科學研究與生物科技應用的貢獻。」

然而,儘管在2004年果蠅腦神經圖譜及這套3D顯影技術在國際的腦科學領域裡,投下了一塊驚石。江安世也開打了一場漫長的國際競賽!他建構了「人腦神經網路圖譜」,被認為是繼上世紀完成人類基因圖譜(human genome project)之後,本世紀最為重要的生命科學研究。 例如霍華.休斯醫學研究中心(Howard Hughes Medical Institute)已募集5億美元網羅許多諾貝爾獎得主、金頭腦成立腦科學中心,對比清大腦科學的40萬美元,是一場1:1250的競爭。

哈佛大學也宣稱將投入連續20年來建構「人腦神經網路圖譜」先導計畫。 甚至,對比由微軟另一創辦人保羅.艾倫(Paul Allen)私人資助的艾倫腦科學研究中心(Allen Institute Atlas)的1億美元,也有1:250的差距。

因此,江安世總是不繼地鞭策自己以及團隊,在資源及人力極其不對等的競賽之下,使用更加聰明的策略。

江安世強調,研究題目「重要性的直覺」與「精準度的拿捏」缺一不可,但這兩者卻是台灣學界普遍欠缺的。

台灣的資源本來就比不上大國,若欠缺對研究的精準度,就很難達到加成效果,「所以過去十年來,我努力找出在台灣做也能領先世界的路。」

儘管有不少國際級的研究機構重金挖角江安世所帶領的整個團隊,但江安世仍願意留在台灣,以小博大,成為台灣本土科學家揚名國際的範例!

台灣之光〉江安世

年齡:53歲

學歷:台大植病研究所碩士、中興大學昆蟲學系

光榮成就:

● 2008年,東元科技獎 化工/生物/醫工領域

● 2008年,行政院傑出科技貢獻獎

● 2007年,Publish Taiwan’’’’s first paper in Cell

● 2004年,國科會傑出科學研究獎

勵志格言: 閱讀《聖經》

江安世

想對台灣說的話

台灣資源比不上大國,我們必須找出在台灣做也能領先世界的策略,不要老跟在人家後面。就是要有「遠見」、要有「精準度」拿捏,並比別人提早投入未來。

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