8千6百萬年前深海沉積泥中的微生物 10-26-2018

8千6百萬年前深海沉積泥中的微生物

深海海床沉積泥中，存在著一些：耗氧量超低、新陳代謝率極慢、生命期超長的微生物(細菌和古老細菌)。

1.  網友們能想像有一些活生生的細菌，存活在幾十公尺的深海海床沉積泥中，它們新陳代謝的速率是海床表面細菌的1/10.000倍！

2.  這些微生物生活的規律，完全與太陽光照、晝夜變化無關，他們很可能幾百年、上千年才分裂一次！也就是說他們生存在一種，跟地球上絕大多數生物，完全不同的時間軸上！

3.  海洋微生物學家認為：以人類的眼光看來，它們處於「假死」的狀態！對我們喜歡武俠小說的人來說，它們是在練少林派或星宿派的「龜息功」。

4.  2012年5月18日，美國頂尖的綜合科學期刊〈科學〉，Hans Roy的團隊，報導了這種耗氧量極低、新陳代謝率超慢、壽命超長的微生物。

圖01. 微生物學家Hans Roy，在海洋研究船上(照片最上方戴黃色安全帽者)，正將一份沉積物樣品從海底打撈出來。羅伊稱，這種微生物在我們人類的眼裡看來就像是「假死」。

Hans Roy團隊在地中海從海床底的紅色黏土中，發現存活10,000年的微生物。

圖片來源：https://www.sciencenewsforstudents.org/article/living-long-beneath-sea

5.  這種生存在北太平洋環流海床20公尺之下的微生物，每年只從1平方公尺的沉積泥中，消耗0.001micromoles O₂，換成大家較能接受的說法，它們活10年只須成年人吸一口氣的氧氣量！

6.  或是用田納西大學海洋微生物學家Karen Lloyd博士的說法，她在南加州大學的同行，估計這種深海海床下的微生物，每天只需1仄普托Watt=10^-21Watt的能量。

註：北太平洋環流(North Pacific gyre)覆蓋了太平洋大部分區域，是世界五大海洋環流系統之一。在太平洋環流覆蓋的範圍內，事事都以緩慢的速度變化著。從陸地沖刷下來的泥沙很少能到達這裡，因此海底累積沉積物的速度相當緩慢(每100年沉積1毫米的速度)。海床之下30公尺的沉積泥，是8600萬年前，海面植物性浮游生物(Phytoplanktons)的屍體所沉積。這一環流下方的沉積物淤泥，屬於地球上營養物質最貧瘠的區域之一。

This deep-sea mystery is changing our understanding of life | Karen Lloyd(這深海中的神祕正改變我們對生命的認知｜Karen Lloyd) 13分08秒的TED短片，談的主題就是深海海床之下的微生物。 需要的網友，請直接點閱YOUTUBE網站，因為有中文(台灣)的翻譯。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=PbgB2TaYhio

圖02. 這張照片照的是海床下1.6公里處發現的微生物，照片模糊的背景與TED短片中呈現的照片相似，代表沉積泥。黃色箭頭所指的綠色螢光圓圈是微生物，此處的微生物數量，顯然較短片照片中呈現的少。

採樣的地點溫度接近100℃。

(Life has been found 1.6 kilometres beneath the sea floor, at temperatures reaching 100 °C.)

圖片來源：https://www.newscientist.com/article/dn13960-huge-hidden-biomass-lives-deep-beneath-the-oceans/

7.  越來越多的事實証明，在海床底下的沉積泥中，有許多種類的微生物在活動，深海海床底下沉積泥中，存在著一個微生物的生態系。

圖03. 生物能夠生存在海平面以下多低的環境中？

植物(綠色)、動物(灰咖啡色)、真菌(淺藍色)、細菌(紅色)、古老細菌(深紅色)、海床下的細菌(紫色)、海平面15公里之下的微生物(黃色)

圖中用不同顏色代表不同生物能夠生存的極限。

圖片來源：https://www.newscientist.com/article/2127488-life-could-exist-up-to-10-kilometres-beneath-the-sea-floor/

8.  海床下沉積泥的微生物，是處於一個極端惡劣環境下的生態系，高溫、高壓、缺乏氧氣、養分貧瘠。海床底下生態系中，主要是一些化學自營性微生物。此處微生物的代謝速度遠低於海床表面的微生物，非常非常的緩慢，像是處於假死的狀態。

成年哺乳動物腦部神經元的新生(Adult Neurogenesis)？ 10-24-2018

成年哺乳動物腦部神經元的新生(Adult Neurogenesis)？

1.  1965年Atman & Das發表論文¹，以放射自動顯影及組織學的證據，提出成年大鼠海馬體，神經元能新生(hippocampal neurogenesis in rats)，在那個年代這樣的說法，跟當時主流的想法完全相反。

2.  1965年時，不論是基礎醫學或臨床醫學，皆認為哺乳動物成年之後，腦中的神經元，沒有再生的能力。

3.  1990年之後，有相當多的證據指出，在成年哺乳動物腦中的

a.  海馬體齒狀回(Dentate gyrus of Hippocampus)，

b.  腦室下方的區域(Subventricular area)，

c.  嗅葉(Olfactory bulb)，

這三處的神經元幹細胞，能持續分化增生產生新的神經元(圖01. & 圖02.)。

圖00. 海馬體新的神經元形成(綠色)，併入神經元線路，參與短期記憶的執行。

圖片來源：https://www.mayo.edu/research/labs/neurogenesis-brain-repair

圖01. 成年小鼠腦部：

A.  海馬體之齒狀回(Dentate gyrus)

B.  腦室下方區域(Subventricular zone, SVZ)

C.  嗅葉(Olfactory bulb)

的神經元幹細胞，均能再生新的神經元(Neurogenesis)。

圖片來源：https://www.researchgate.net/figure/Neurogenesis-in-the-adult-mouse-brain-The-picture-shows-in-red-the-two-neurogenerative_fig1_263709076

Adult Neurogenesis   (成年神經元新生) 嗅覺的刺激，使小鼠腦室下區域(SVZ)的幹細胞每天產生30,000個新神經元母細胞，遷移至嗅葉轉變為成熟的嗅神經元。用螢光標定，測試牠們的功能。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=BAGomrj_85M

圖02. A.成年小鼠腦部：

B.  海馬體齒狀回(Dentate gyrus)之神經元新生(adult neurogenesis)

       分為四個步驟：

       (1)增生(proliferation)、

       (2)遷移(migration)、

       (3)分化(differentiation)、

       (4)整合(integration)

C.  腦室下方區域(Subventricular zone, SVZ)的神經元幹細胞增生後，經由嘴部遷移流(rostral migration stream)至嗅葉，在嗅葉分化為成熟的嗅神經元、最後整合到神經線路。

D.  嗅葉(Olfactory bulb)。

圖片來源：https://www.researchgate.net/figure/Adult-neurogenesis-in-the-mouse-brain-A-Midsagittal-view-of-the-mouse-brain-with-the_fig1_265649264

圖03. A子圖長方框內為，囓齒動物海馬體齒狀回的顆粒下層，具有形成新神經元的幹細胞。

B子圖為A長方框的放大圖，顯示幹細胞(Stem cell)能分化增生，形成新的神經元(Newborn young neurons)。

(The sub-granular zone (SGZ) of the hippocampal DG is one of the stem-cell-containing niches in the adult mammalian brain)

圖片來源：https://www.cell.com/fulltext/S0092-8674(16)31404-0

4.  有專家估計小鼠的海馬體，一天形成約700個新的神經元。

   小鼠的平均體重只有300公克，人的平均體重60,000公

   克，體重相差兩百倍，依體重比看來人的海馬體，每天增生的新

   神經元數目應該更多。

5.  專家認為海馬體齒狀回新生的神經元，跟短期記憶、學習、情緒有關。

6.  但是從1990年代至今，還是有專家們持反對的態度，認為在金絲雀、囓齒動物的腦部有些部位的神經元，一生都具有能力新生，但是人類成年之後不行。

圖04. 上下六個綠色框框，表示六種研究方法，顯示人類的腦部成年之後仍能產生新的神經元。但是也有不一樣結果的報告。

× conflicting report  衝突的報告

(Multiple Lines of Evidence in Support of Adult Hippocampal Neurogenesis in Humans)

圖片來源：https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(18)30166-8

7.  2018年3月15日發表在〈自然〉期刊的研究報告²指出，新生兒的海馬體能產生大約1,618新生神經元∕m㎡，13歲時大約只能產生2.4個新生神經元，18歲～77歲年齡階段，則測不到新神經元的產生。原因可能在於人類的海馬體，沒有神經幹細胞存在的合適環境。

8.  Sorrels團隊的研究報告，認為新生的神經元在成年人極其罕見，甚至根本不存在；幾乎同時，〈細胞·幹細胞〉（Cell Stem Cell) 期刊Boldrini研究團隊，發表的報告³，使用相同的研究方法，卻發現，新生的神經元在從青少年到老年，整個成年人階段都存在。

	處理腦標本的時間窗 (個體死亡後)	研究結果
Sorrels研究團隊	48小時之內	新生的神經元在成年人腦中不存在
Boldrini研究團隊	26小時之內	腦中新生的神經元，整個成年人階段都存在。

9.  Sorrels研究團隊是由四所大學組成的跨國團隊：美國加州大學舊金山分校（UCSF）、美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）、中國復旦大學、西班牙瓦倫西亞大學；

10. Boldrini領導的是哥倫比亞大學的團隊。兩者都是世界頂尖的大學教授，用相同的免疫螢光染色法，觀察人類屍體大腦標本或是癲癇患者切除下來之組織。結果卻得到完全相反的結論！

11. 人類成年之後，是否有新的神經元出現於海馬體、嗅葉？除非有更進步實驗方法的引進，否則會隨著人類標本之不易獲得，實驗方法的不同，而繼續爭論下去！

圖05. 發表於2018年3月15日Nature期刊研究報告之第三圖(figure 3)。

【TVBS】研究：成年人腦細胞神經元不會再生！若海馬迴可再生，有助修復大腦損傷 41秒的新聞短片，是根據2018年3月15日出刊，〈Nature〉期刊上的一篇研究論文報導！從 59 份人的腦部樣本，以免疫螢光染色法偵測，發現神經元新生(Neurogenesis)，在童年時期已大幅下降，13 歲以後再也檢測不到新的神經元。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=j-PXunyrr5w

參考文獻：

1.     ALTMAN, J., and DAS, G.D.

   Autoradiographic and histological evidence of postnatal hippocampal   

   neurogenesis in rats.

   Journal of Comparative Neurology 124(3):319–335, 1965.

2.    S. F. Sorrells, M. F. Paredes, A. Cebrian-Silla, K. Sandoval, D. Qi, K. W. Kelley, D. James, S. Mayer, J. Chang, K. I. Auguste, E. F. Chang, A. J. Gutierrez, A. R. Kriegstein, G. W. Mathern, M. C. Oldham, E. J. Huang, J. M. Garcia-Verdugo, Z. Yang, A. Alvarez-Buylla,

   Human hippocampal neurogenesis drops sharply in children

   to undetectable levels in adults.

Nature 555, 377–381 (2018).

3.    M. Boldrini, C. A. Fulmore, A. N. Tartt, L. R. Simeon, I. Pavlova, V. Poposka, G. B. Rosoklija, A. Stankov, V. Arango, A. J. Dwork, R. Hen, J. J. Mann,

 Human hippocampal neurogenesis persists throughout  

 aging.

Cell Stem Cell 22, 589–599.e5 (2018).

神經管的發育；脊髓與腦的形成 10-23-2018

神經管的發育；脊髓與腦的形成

為何感覺神經元的動作電位(Action Potential)都由脊髓的背面傳入？； 運動神經元的動作電位都由脊髓的腹面發出？ 胚(embryo)的早期，這樣的分化就已經決定。

1.   整個神經系統是由胚胎組織的外胚層（ectoderm）發育而來。

2.   神經系統發育的第一個徵兆，是大約在胚(Embryo)發育的第18天，背部出現神經板（neural plate）。後續幾天之內，神經板向內形成神經溝（neural groove）。在發育的第二十一天，神經溝的邊緣─神經摺(Neural fold)遇合形成神經管（neural tube）。

圖01. 神經管形成步驟：1神經板(Neural plate)→2神經溝(Neural groove)→3神經摺(Neural fold) →4神經管(Neural tube)。

圖片來源：https://www.guokr.com/article/438829/?page=2

General Embryology - Detailed Animation On Neurulation (普通胚胎學—神經管發育之詳細動畫) 神經管的腹側，實心紫色的構造就是脊索(notochord)。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=lGLexQR9xGs

3.   神經管的前端繼續增生分化發育成腦部，而神經管的其他部分則增生分化形成脊髓。神經管旁的神經脊細胞（Neural crest cells）則演變成周邊神經系統。

4.   神經系統只有兩類的細胞：1為產生傳遞動作電位(Action Potential)之神經元=神經細胞，與感覺、思考、記憶、控制肌肉活動、調節腺體分泌…有關。

   2為支持(Support)、保護(Protect)、營養(Nourish)神經元之神經膠細胞。

圖02. 神經元(Neurons)與神經膠細胞(Neuroglia)之比較

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/4404592/14/images/15/Neurons+vs.+Neuroglia+Provide+unique+functions.jpg

圖03. 中樞神經系統(CNS)的神經膠細胞(Neuroglia)種類：

a.  星狀膠細胞(Astrocyte)

b.  微小膠細胞(Microglia)

c.  寡突膠細胞(Oligodendrocyte)

d.  室管膜細胞(Ependymal cell)

圖片來源：https://slideplayer.com/slide/4404592/14/images/25/Types+of+Neuroglia.jpg

一、 舊的觀念：

1.         在原腸胚期(Gastrula Stage)形成了三胚層，其中中胚層(mesoderm)形成的脊索(Notochord)，誘導背面的外胚層(ectoderm)形成神經板(neural plate)→形成神經溝(neural groove)→再形成神經摺(neural fold) →最後形成神經管(neural tube)。

         圖04. 形成神經管(Neural Tube)之步驟。

                   圖中BMP是骨塑型蛋白(Bone Morphogenetic Protein)

             的英文縮寫。容後說明。

圖片來源：https://www.memorangapp.com/flashcards/61308/Embryology/

2.         神經管(neural tube)前方增生分化形成腦(brain)，後方增生分化形成脊髓(Spinal Cord)，神經管旁的神經嵴

      細胞，增生分化形成周邊神經系統等其他組織，神經管

      中空的管腔將來形成腦脊髓腔，內具有快速循流的腦脊

      髓液(cerebrospinal fluid, CSF)。

3.         中樞神經系統(CNS)—腦 & 脊髓

周邊神經系統(PNS)—12對腦神經 & 31對脊髓神經

圖05. 胚期的18天～24天，形成神經管之過程。

•       (A)〜(D)圖的綠色部分是表示神經管的發育。

•       (B)〜(D)圖的咖啡色部分是表示，神經嵴細胞(Neural crest)發育為背根神經節(Dorsal root ganglia)。

圖片來源：http://sites.sinauer.com/levay4e/webtopic06.02.html

4.         四十年前的學生，能夠將神經板、神經溝、神經摺這些名詞觀念記得，就已經非常OK。那時當學生相對的輕鬆！

二、 新的觀念：

1.         成年之後的脊髓，

            將動作電位送往周邊的，運動神經元(motor neurons)都位於脊髓

            的腹面；

            接受周邊動作電位的，感覺神經元(Sensory neurons) 都位於脊 

            髓的背面。

      為什麼會有如此的分化？

2.         胚的早期，骨塑型蛋白(BMP)以及音蝟因子蛋白(SHH)共同誘導的結果。

            音蝟因子蛋白(SHH)→誘導運動神經元形成；

            骨塑型蛋白(BMP)→誘導感覺神經元形成。

(A) 脊索的基因表現音蝟因子蛋白(SHH)，覆蓋神經管(Neural tube)的腹面；背面表皮的基因表現骨塑型蛋白(BMP)，覆蓋神經管的背面。

(B) 脊索的SHH，又誘導神經管腹面胚胎細胞基因表現SHH；

   背面表皮的BMP，誘導神經管背面胚胎細胞基因表現BMP。

(C) 神經管腹面形成SHH濃度梯度；

   神經管背面形成BMP等生長因子濃度梯度。

(D) SHH濃度梯度，誘導運動神經元形成；

   BMP等生長因子濃度梯度，誘導感覺神經元，

   以及與感覺神經元相關的，中間神經元(interneurons)形成。

圖06. 脊髓的分化機轉。

圖片來源：http://courses.biology.utah.edu/bastiani/3230/DB%20Lecture/Lectures/b15Neuro.html

EMBRYONIC DEVELOPMENT: THE NOTOCHORD (胚胎發育：脊索的發育) 短片最後有提到脊索誘導(notochord induction)的概念，經由脊索的誘導才能發育成正常的神經管(Neural Tube)。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=m8v2SNVlPH0&list=PLcp6Lpe3MMZs9tfQBEYuAVdWePmfLTgeA

3.         在原腸胚期(Gastrula Stage)，外胚層細胞合成分泌骨塑型蛋白(Bone Morphogenetic Protein ,BMP)，當背部外胚層細胞能接受到BMP的訊息→外胚層分化形成表皮(epidermis)。

4.         一些神經誘導因子如Noggin、Chordin，與骨塑型蛋白(BMP)結合，使得BMP無法與外胚層細胞，細胞膜上的BMP接受器(BMP receptor)結合，因而抑制了BMP的信號傳導，胚背部的外胚層細胞則不再被誘導分化形成表皮，而被分化形成神經管。

5.         神經誘導因子=表皮誘導因子BMP之抑制因子。

6.         脊索(notochord)合成分泌音蝟因子蛋白(Sonic Hedgehog Protein,SHH)，是一種型態素(morphogen)，為促使腹面神經管的分化所必須。

骨塑型蛋白(BMP)與神經管發育的問題，本文已經相當程度的簡化！光是骨塑型蛋白(BMP)目前已知的就有15種之多！每種在細胞層級的作用方式又可能不同！我們只要聽過這個專有名詞，也就對得起它了，不用理會它詳細的作用機轉！

7.         以上還只是提一個大概而已，同時別忘了40年前的神經板…的觀念當然必須要先教。想想，當現在的師生，相對的辛苦許多！！

圖07. 胚的的32天，已可見神經管(Neural Tube)前端增生分化成前、中、後腦。

圖片來源：http://www.ckwang.com.tw/n-gastro-304.html

圖08. 成體腦的透視圖。

(A)子圖：腦之後面觀。(B)子圖：腦之側面觀。

圖片來源：https://www.slideshare.net/t067/-118955

【發現】精華影片 - 20131207 - 人體奧秘系列 - 大腦地圖 3分鐘的短片提到大腦的可塑性，熟能生巧等很好的基本觀念。可是在2分03秒提及，人類的大腦神經細胞，40歲以後就停止生長，現在不認為如此，最少在與短期記憶有關的海馬體(Hippopotamus)，神經細胞一直持續分裂生長。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=Nw淑WEii9nDQo

大腦如何儲存記憶? 揭開記憶的迷霧－民視新聞 記憶依時間分為長期記憶和短期記憶，依形式分為外顯記憶盒內隱記憶。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=IN7ehmT514U

切除海馬體會有什麼後果呢? – 山姆‧基恩 5分25秒的TED短片，以有名的H.M.為例，說明缺乏海馬體對記憶的影響。 需要的網友請直接上YOUTUBE網站點閱，因為有中文(台灣)的翻譯。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=KkaXNvzE4pk

You can grow new brain cells. Here's how | Sandrine Thuret (如何讓腦袋長出新的神經元｜Sandrine Thuret) 11分04秒的TED短片，專家現身說法，告訴大家學習、運動……能讓海馬體長出更多的新神經元(Neurogenesis)。 需要的網友請直接上YOUTUBE網站點閱，因為有中文(台灣)的翻譯。 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=B_tjKYvEziI

   Forebrain─前腦         Telencephalon─端腦       端腦包括兩側大腦半球、基底核、菱邊系統

                           Diencephalon─間腦           間腦包括上視丘、視丘、下視丘

   Midbrain─中腦          Mesencephalon─中腦          中腦包括四疊體(兩個上丘、兩個下丘)

   Hindbrain─後腦         Metencephalon─菱腦          菱腦包括橋腦、小腦

                        Myelencephalon─末腦            末腦包括延腦

圖09. 人類(a)1個月的胚→(b)5星期的胚→(c)成體腦的發育情形。

圖片來源：http://www.startsateight.com/2011/05/kids-are-not-just-mini-adults-brHYPERLINK "http://www.startsateight.com/2011/05/kids-are-not-just-mini-adults-brain-development/"ain-development/

8.         腦的發育最明顯的是在中腦處，發生了一次彎折→因而形成四疊體(Tectum)。

9.         四疊體分成：

a.   兩個上丘(superior colliculus)：視覺反射中樞

                                  (=瞳孔光反射中樞)

               b. 兩個下丘(inferior colliculus)：聽覺反射中樞

視丘是所有感覺傳到大腦的轉接站(relay center)， 但嗅覺例外，嗅覺不經視丘，由嗅神經直接傳到大腦皮質。

※經過多年的研究，科學家們對脊髓的分化原因，已有所了解。至於比脊髓複雜許多的腦之分化，仍有許多的未知。本篇BLOG只敘述腦的形成，以及稍微提及一些腦部位的功能。