睡眠的科學
公佈於2020年12月14日

研究人員向了解人類睡眠和醒的規律運作邁進

曹澤寬博士是2018年裘槎博士後研究獎學金得主,致力研究睡眠背後的科學基礎。曹博士在香港土生土長,高中畢業後到美國威斯康辛州學習分子生物學。他對腦部特別感興趣,後來於聖路易斯華盛頓大學完成神經科學博士學位。

曹博士於博士期間主力研究晝夜節律(circadian rhythms)。晝夜節律是身體調節日常睡眠時間、荷爾蒙分泌及新陳代謝等生理功能的內在過程。一般而言,人類日出而作、 日落而息,這是由腦部視交叉上核(SCN, suprachiasmatic nucleus)所設定的生理時鐘。 細小的視交叉上核位於下丘腦,控制與晝夜節律有關的神經及荷爾蒙活動。

曹博士說:「我的研究生博士主要研究動物如何控制每天何時醒和何時睡。睡眠作為晝夜生理時鐘一個輸出,為我們了解、量度動物生理時鐘的內在性質提供了一扇門。」

晝夜節律的研究已經取得成果,並應用於現實生活,例如幫助旅客克服時差,以及研發治療失眠的方法,曹博士說:「時差使我們能夠切身感受生理時鐘錯亂的後果。」要緩減遊走不同時區所帶來的影響,旅客可以透過改變每天何時進食和睡眠,重新調整他們的晝夜節律。

曹博士現為加州大學柏克萊分校的博士後研究員,透過光遺傳學利用光線控制腦細胞的方法,進一步了解睡眠,他解釋:「我們把稱為『光敏感通道-2(channelrhodopsin-2,下稱ChR2)』的光敏感細菌蛋白植入想研究的細胞,然後以雷射光激活。」研究人員利用此技術,可以透過刺激或抑制細胞用電脈傳遞信息,成功把細胞「開/關」。實驗中使用的老鼠為特別設計,使ChR2只存在於研究目標的細胞,曹博士表示:「這樣我們就能夠一方面操縱特別的細胞亞群(subsets of cells),另一方面保持其他細胞不變。」

實驗的可控程度是最新的科學發展,曹博士解釋:「過往把電極植入特定腦區來進行刺激,該區域每個細胞都會被『開啟』,但不能分析個別細胞的反應。不過,我們從光遺傳學得知在一些個案中,處於同一位置的各個細胞亞群有時候其實擔當著相反的角色,例如有些會促進睡眠,有些卻幫助清醒。如果我們沿用舊有的實驗方法去刺激大腦,兩組細胞的反應可能會被互相抵消,我們就不會知道這些細胞的作用。」

曹博士主要研究小鼠的大腦,因為它們與人類腦部有很多共同之處:「尤其是較原始、控制睡眠和清醒的腦區,例如下丘腦和腦幹。」小鼠腦部的研究潛力並未因其體積比較細小而受到局限,曹博士特別提到小鼠具有哺乳類動物中最齊全的基因工具,讓研究人員可以針對多種細胞亞群進行光遺傳學等實驗。

曹博士對研究的成果仍然持謹慎態度:「我們現時還在了解腦部的結構如何引起功能。」他估計研究主要有兩方面的結果,他說:「首先,透過鑑定哪些是促進睡眠的細胞,我們有機會辨識新型睡眠藥物的藥物標靶。此外,我預計未來數年市場對促進睡眠的醫療器材的需求有所增加,除了需要新的科技,還有賴我們對睡眠調節機制更進一步的了解。工程與生物學必須齊頭並進。」

曹澤寬博士中學畢業於皇仁書院,其後分別於威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)和聖路易斯華盛頓大學(Washington University in St Louis)取得分子生物學學士(主修榮譽)及神經科學博士學位,其中博士課程的指導老師為時間生物學家Erik Herzog教授。曹博士現為加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)兼侯活·曉治醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)丹揚教授(Professor Yang Dan)團隊的博士後研究員。他於2018年取得裘槎博士後研究獎學金。

延伸閱讀:

  1. 曹博士的個人專頁(裘槎基金會):https://scholars.croucher.org.hk/scholars/chak-foon-matthew-tso