長期記錄100天！化學方法量測多巴胺濃度變化
大家好，我是菜編。神經傳導物質（Neurotransmitter）是一些化學分子，在神經元間傳送，身負重要訊息，若有異常，則會影響到動物行為，其中巴金森氏症（Parkinson's disease）和情緒低落，兩者和多巴胺（Dopamine）濃度過低相關，為了有更好的診斷方法，發展更優良的醫療器材，勢必得更長時間的觀測多巴胺濃度變化，和病情、行為變化兩相比較，增進我們對此類疾病的認識。
先進儀器的所在地：匹茲堡大學 在匹茲堡大學的生醫工程領域中，研究總共分為六大類：生醫影像與訊號、醫療器材工程、神經工程、分子細胞與系統工程、生物力學工程、組織工程，還有再生醫學，其中與腦機介面相關的研究很多，2021年開始就職的海倫（Helen N. Schwerdt）教授，研究興趣包含巴金森氏症跟情緒異常，想解析多巴胺、紋狀體在學習跟情緒控管上所扮演的角色，他的實驗室有可以長時間監測非人靈長類多巴胺濃度的儀器！甚至能超過100天~
多巴胺怎麼量，化合物也有自己的履歷圖？ 為了記錄，需要插入碳纖維探針到恆河猴（Macaca mulatta）的大腦（講到這邊頭皮麻麻），量測以電化學快速掃描循環伏安法進行（Electrochemical fast-scan cyclic voltammetric, FSCV），當探針電位改變，會導致周遭的化學分子發生氧化還原反應，如下圖B，電壓上升處有一個很明顯的電流升高處，稱為氧化峰，是多巴胺失去電子發生氧化反應的地方，而反向下方則是發生還原反應的波型，每種化合物有自己的波型（Cyclic voltammograms, CVs），藉由這特殊的履歷圖，科學家們就能知道找到多巴胺，量測它們的變化。 
左：電刺激引發的多巴胺濃度變化（升高）；右：多巴胺的CVs圖 (Schwerdt et al. 2017)
魔鬼藏在細節裡，儀器的進步就在尖端 當異物入侵的時候身體總是會反抗，在插進大腦的感測器周遭，會結起疤痕組織，干擾到量測的效率跟精準度，短期（Acute）記錄當然沒差，反正才一下下，但長期（Chronic）記錄就不一樣了，氧化還原反應副產物跟蛋白質阿哩阿雜堆積起來，外加發炎反應火上加油，怎麼可能還量得到訊號。好佳在，變細有用！海倫教授用尖端只有直徑7-µm的探針，插在紋狀體（Stratum）內執行記錄，另外配有刺激電極插在後面點的基底核（SNc）、腹側被蓋區（VTA），還有調控路徑（Dopamine fibers），藉由電擊調控多巴胺的區域，強制多巴胺濃度產生變化，看看這套儀器是不是真的能好好執行量測。 儀器設置方式簡圖 (Schwerdt et al. 2017)
在被下了稱為 Raclopride 的藥後，由於它會關掉捕捉多巴胺的接收器，因此多巴胺會一直被製造，比平常多上許多，讓被電嗨的細胞更嗨，首先長期跟短期記錄電極量到的暴風式成長相當，電一下增加跟 149% up 好浮誇，更重要的是，經過數天確實能持續記錄，雖然仍然有變糟的趨勢，但已經比以前好多了！除了下藥跟電腦外，正常的行為當然也能被記錄，恆河猴在獲得糖水獎勵、甜馬鈴薯，或驚喜後的多巴胺躍升也很確實得被捕捉了下來。 給藥前、後電刺激引發的多巴胺增加變化（不同電極：cn1、cn2、cn3電極記錄結果）(Schwerdt et al. 2017) 吃到糖水後的多巴胺濃度升高變化 (Schwerdt et al. 2017)
進擊的科技！科學的步步前進 科技進步推動科學發展實在讓人興奮，去年剛好有機會聯絡上海倫教授，實際跟他討論的時候，不知道我的嘴巴有沒有闔上過，畢竟以前只知道能測量電位變化，還不知道用化學方法可以記錄特定化合物濃度的改變。順道一提，前陣子看到一篇論文提到深腦電刺激的電極，除了可以電大腦外，竟然還可以當作記錄電極使用。不知道是我孤陋寡聞，還是這真的是太酷了！期待未來有更新穎的儀器推出，腦機介面的發展越來越廣闊，最後希望我博士班在這個領域研究順利。
資料來源： Schwerdt, H. N., Shimazu, H., Amemori, K.-I., Amemori, S., Tierney, P. L., Gibson, D. J., Hong, S., Yoshida, T., Langer, R., Cima, M. J., & Graybiel, A. M. (2017). Long-term dopamine neurochemical monitoring in primates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114(50), 13260–13265.
延伸閱讀（深腦電極可記錄腦波！）： Ajay K. Verma, Ying Yu, Sergio F. Acosta-Lenis, Tyler Havel, David Escobar Sanabria, Gregory F. Molnar, Colum D. MacKinnon, Michael J. Howell, Jerrold L. Vitek, Luke A. Johnson, Parkinsonian daytime sleep-wake classification using deep brain stimulation lead recordings, Neurobiology of Disease, Volume 176, 2023, 105963, ISSN 0969-9961, https://doi.org/10.1016/j.nbd.2022.105963.
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魔鬼藏在細節裡，儀器的進步就在尖端 當異物入侵的時候身體總是會反抗，在插進大腦的感測器周遭，會結起疤痕組織，干擾到量測的效率跟精準度，短期（Acute）記錄當然沒差，反正才一下下，但長期（Chronic）記錄就不一樣了，氧化還原反應副產物跟蛋白質阿哩阿雜堆積起來，外加發炎反應火上加油，怎麼可能還量得到訊號。好佳在，變細有用！海倫教授用尖端只有直徑7-µm的探針，插在紋狀體（Stratum）內執行記錄，另外配有刺激電極插在後面點的基底核（SNc）、腹側被蓋區（VTA），還有調控路徑（Dopamine fibers），藉由電擊調控多巴胺的區域，強制多巴胺濃度產生變化，看看這套儀器是不是真的能好好執行量測。 儀器設置方式簡圖 (Schwerdt et al. 2017)
在被下了稱為 Raclopride 的藥後，由於它會關掉捕捉多巴胺的接收器，因此多巴胺會一直被製造，比平常多上許多，讓被電嗨的細胞更嗨，首先長期跟短期記錄電極量到的暴風式成長相當，電一下增加跟 149% up 好浮誇，更重要的是，經過數天確實能持續記錄，雖然仍然有變糟的趨勢，但已經比以前好多了！除了下藥跟電腦外，正常的行為當然也能被記錄，恆河猴在獲得糖水獎勵、甜馬鈴薯，或驚喜後的多巴胺躍升也很確實得被捕捉了下來。 給藥前、後電刺激引發的多巴胺增加變化（不同電極：cn1、cn2、cn3電極記錄結果）(Schwerdt et al. 2017) 吃到糖水後的多巴胺濃度升高變化 (Schwerdt et al. 2017)
進擊的科技！科學的步步前進 科技進步推動科學發展實在讓人興奮，去年剛好有機會聯絡上海倫教授，實際跟他討論的時候，不知道我的嘴巴有沒有闔上過，畢竟以前只知道能測量電位變化，還不知道用化學方法可以記錄特定化合物濃度的改變。順道一提，前陣子看到一篇論文提到深腦電刺激的電極，除了可以電大腦外，竟然還可以當作記錄電極使用。不知道是我孤陋寡聞，還是這真的是太酷了！期待未來有更新穎的儀器推出，腦機介面的發展越來越廣闊，最後希望我博士班在這個領域研究順利。
資料來源： Schwerdt, H. N., Shimazu, H., Amemori, K.-I., Amemori, S., Tierney, P. L., Gibson, D. J., Hong, S., Yoshida, T., Langer, R., Cima, M. J., & Graybiel, A. M. (2017). Long-term dopamine neurochemical monitoring in primates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 114(50), 13260–13265.
延伸閱讀（深腦電極可記錄腦波！）： Ajay K. Verma, Ying Yu, Sergio F. Acosta-Lenis, Tyler Havel, David Escobar Sanabria, Gregory F. Molnar, Colum D. MacKinnon, Michael J. Howell, Jerrold L. Vitek, Luke A. Johnson, Parkinsonian daytime sleep-wake classification using deep brain stimulation lead recordings, Neurobiology of Disease, Volume 176, 2023, 105963, ISSN 0969-9961, https://doi.org/10.1016/j.nbd.2022.105963.
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