迷幻藥對大腦的影響：迷幻蘑菇 psilocybin 和 LSD

上週系上的演講滿精彩的，超多人。主題是 psychedelics，主要是講迷幻蘑菇(magic mushroom)裡面的 psilocybin，和合成迷幻藥 LSD (lysergic acid diethylamide)，LSD 是第一個被合成出來的迷幻藥(1938)。

講者：Dr. David Nutt, Imperial College London
題目：Time to put psychedelics back into psychiatry

講者先提了兩位有使用 LSD 的名人，發現 DNA 結構的 Francis Crick 和發明 PCR 的 Kary Mullis，兩位都是諾貝爾獎得主，接著他放了一個愛因斯坦的 quote: "No problem can be solved from the same level of consciousness that created it."

LSD 在 1950s -1960s 還沒被禁之前很廣泛的被用來研究和治療，而且效果卓越，也被用來戒酒，後來在 1968 年的時候被禁止使用，原因是 CIA 認為年輕人用了 LSD 後會不想打越戰。你以為政府的這個禁令已經很離譜了嗎？講者說比這個更離譜的禁令是 1916 年的 telescope (Copernican system)。他說很多藥物都因為政治因素被禁止，害科學家不能研究，他努力了好久才爭取到 funding 做 psilocybin 的研究。研究結果發現，大家以為迷幻蘑菇會造成幻覺是因為它讓大腦太活躍，但是從 fMRI 和 MEG 的結果看來，它其實是關掉大腦的活動 -- by uncoupling fronto to parietal connectivity (DMN, default mode network)。LSD 也會造成同樣的情形，據用過的人說這會讓人產生和自身解離的感覺，稱做 ego dissolution [註]，不過它也會讓 visual cortex (V1) 變得比較活躍，和腦部其他區塊的交流增加了，這也許可以解釋為什麼用了 LSD 後會產生幻覺的原因 [1]。

之後他用 pilsocybin 來治療憂鬱症，發現效果很好，一週即可見效，目前確切機制還不清楚，他認為憂鬱症是因為 DMN 活躍，所以病患會一直想東想西，然後越想越憂鬱，而 psilocybin 剛好抑制 DMN，不過他們也發現 psilocybin 會啟動 amygdala。其實用 psychedelics 來治療並非什麼新鮮事，鼎鼎大名的佛洛伊德是先驅。

講者說因為政治因素被禁止這類的研究，讓他頗不爽，所以他們有一群科學家聯合起來反擊，現在也越來越多人開始研究這類藥物，因為如果 properly use，其實是好的。他演講完後全場熱烈鼓掌，讓我有種這是一個 pro-drug 大會的錯覺。XD

註 》Ego dissolution: the sense that you are less a singular entity, and more melded with people and things around you.

我們實驗室有人聽完演講後很想試試看 LSD，是說真的，聽講者說 Mullis 說如果沒有用 LSD，他無法想出 PCR 的時候，聽得我都想試了，感覺超神奇的。XD（後來孤狗了一下，發現 Nature 幾個月前有兩篇新聞是關於他的研究，見下面連結。）



Articles:

1. Zoe Cormier, Brain scans reveal how LSD affects consciousness. Nature (April 2016)

2. Zoe Cormier, Magic-mushroom drug lifts depression in first human trial. Nature (May 2016)

3. Kerri Smith, Neuroscience: Idle minds. Nature (2012)


Papers:

1. RL Carhart-Harris et al, Neural correlates of the LSD experience revealed by multimodal neuroimaging. PNAS (2016)

2. RL Carhart-Harris et al, Psilocybin with psychological support for treatment-resistant depression: an open-label feasibility study. The Lancet Psychiatry (2016)

缺錢做研究嗎？可以試試集資哦~ (crowdfunding)

缺錢做研究嗎？要不要試試網路集資呢？集資成功的要件是什麼，這篇列了四點，第二點那個好想看看範例哦。XD

- Use a crowdfunding platform that specializes in raising money for science, and not just any kind of project.
- Present the project with a funny video.
- Engage with potential donors.
- Target a small amount of money.

原文說分析的 371 個科學研究中，有 246 個是 >=100% funded，相當於 66% 集資成功，感覺還滿高的。

研究的集資平台有 11 個，有四個是 science only，一個主打是 health projects。
* Experiment.com Science-only platform, English, online since 2012, until January 2015: 11,328 donors donated US$1.3M for 3888 projects
* Petridish.org Science-only platform, English, online since 2011
* Sciflies.org Science-only platform, English, online since 2010
* Medstartr.com Platform focusing on health projects, English, online since 2012, until 2013: US$150,000 donated
* Sciencestarter.de Science-only platform, German, online since 2012

其他是通用的集資平台，裡面最有名的應該是 Kickstarter。
* Fundly.com General platform, English, online since 2009
* Indiegogo.com General platform, multilingual, online since 2008
* Kickstarter.com General platform, English, online since 2009, since 2009: 7.7 million donors donated approximately US$1B for 76,000 projects
* Pozible.com General platform, English, online since 2010, since 2010: US$25.5 million donated for 7851 projects
* Rally.org General platform, English, online since 2009 (rebranded in 2011), until 2013: 5 million users donated for 25,000 projects
* Rockethub.org General platform, English, online since 2010

有興趣可以去 Experiment 那個看，沒想到裡面還不少，Biology 那個真是各式各樣都有，像是烏龜如何 close their shell，還有鳥和青蛙是否可以告訴我們地震快來了，另外有一個是利用 CRISPR/Cas9 和病毒治療癌症的研究。

PS. 後來發現這個也是 science-only 的集資網站感覺也不錯：Crowed.Science（英國腦神經學家 Dr. David Nutt, Imperial College London 是用這個網站集資做 LSD 的研究）



Article:

Maggie Kuo, Thinking of crowdfunding your science? Study suggests some tips. Science, News (2016)

Paper:

MS Schäfer et al, Selling science 2.0: What scientific projects receive crowdfunding online? PUS (2016)

粒線體移植：有三個父母的小孩

你能想像你的親生父母親有三位嗎？最近有個新聞是說有個嬰兒的 DNA 來自三個人，兩個媽媽和一個爸爸。嬰兒的父母是約旦人，媽媽帶有因粒線體基因(mtDNA)突變(8933T>G)而造成的罕見疾病 Leigh's syndrom，是一種神經性疾病。她流產了四次，有兩個小孩分別在八個月大和六歲大的時候因此疾病而死，被診斷出有 98% 的粒線體基因帶有突變 [7]，因此求助於紐約的 New Hope Fertility Center，利用體外受精(IVF, in vitro fertilization)技術幫她製造了一個粒線體沒有問題的受精卵，然後在今年四月她的小男孩出生了。

執行這個技術的是 John Zhang 和他的團隊，雖然這個團隊是在美國，但因為法規的問題，所以手術是在墨西哥進行的。粒線體治療(MRT, mitochondria replacement therapy)有兩種，一種是 pronuclear transfer (PN)，是先讓媽媽帶有異常粒線體的卵子和爸爸的精子先受精，然後再把受精後的 pronuclei (細胞核)取出來，放到粒線體正常(第三者)的受精卵裡(其 pronuclei 已先被取出)。另一種是 maternal spindle transfer (SNT, spindle nuclear transfer)，是先把媽媽的卵子細胞核裡的染色體先取出來，放到粒線體正常(第三者)的卵子裡(染色體已先被取出)，然後再讓換過染色體、粒線體正常的卵子和爸爸的精子受精 [1]。


Figure: E Callaway, Nature 2014

這對夫妻因為宗教因素選擇了用 SNT。Zhang 團隊做了五個受精卵，把其中一個送到媽媽體內，之後成功存活並且出生了，這個嬰兒因此帶了三個人的 DNA，分別來自爸爸和媽媽的染色體(nuclear DNA)，和捐贈者(donor)的粒線體 DNA [2, 3]。

事實上這並不是第一次使用 MRT，第一次利用 MRT 而出生的嬰兒是在 1990 年代，只不過那時是用 PN，這次則是第一次使用 SNT 出生的嬰兒。而英國也在去年二月通過了法案，讓 MRT 治療合法化 [4, 5]。在美國，理論上是可以使用 MRT，只是需要 FDA 審核通過，不過去年 Congress 禁止 FDA 使用政府的經費審核想要操作人類胚胎基因的提案，而禁令可能會持續到 2017 年，所以這次是在墨西哥做的，因為墨西哥目前還沒有法律可管。此舉當然引發不少爭議，除了倫理上的，還有一些技術上的問題 [2, 3, 5]。

根據目前發表在 Fertility and Sterility 的 abstract [7]，還有 Zhang 在十月 19 日在 American Society for Reproductive Medicine 年會裡的報告 [3]，幾乎所有的卵子的 mitochondrial DNA 都有突變，但是把母親卵子的細胞核轉到 donor 的細胞核後，轉移後的卵子只剩 5% 的 mtDNA 帶有突變。雖然 MRT 的先驅 Jacques Cohan 說在 20% 以下都不會有症狀，但是紐約 Stem Cell Foundation 幹細胞專家，同時也是研發 MRT 的 Dietrich Egli 認為 5% 算是高了，因為正常嬰兒細胞內有問題的 mtDNA 平均只有 1.6%，雖然這是有意義的一個進展，但技術操作的不算好，他擔心帶過去的那 5% 的突變 mtDNA 是否會造成小孩在發育和生長上的問題 [2, 3]。

時隔一年後的 2017，Zhang 發表了手術的細節，還有嬰兒的狀況 [6, 8]。 他說嬰兒小便中的細胞，其帶有的 mtDNA 只有 2% 是有問題的，但是包皮細胞帶有的 mtDNA 則是高達 9% 是有問題的，至於其他的器官則難以檢驗，而據知小孩的父母目前也拒絕接受其他檢查，除非有治療上的需要。



Articles:

1. Ewen Callaway, Reproductive medicine: The power of three. Nature, News (2014)

2. Sara Reardon, ‘Three-parent baby’ claim raises hopes — and ethical concerns. Nature, News (2016)

3. Sara Reardon, Reports of ‘three-parent babies’ multiply. Nature (2016)

4. Ewen Callaway, World hails UK vote on three-person embryos. Nature (2015)

5. Ewen Callaway, Three-person embryos may fail to vanquish mutant mitochondria. Nature (2016)

6. Sara Reardon, Genetic details of controversial 'three-parent baby' revealed. Nature (2017)


Papers:

7. J Zhang et al, First live birth using human oocytes reconstituted by spindle nuclear transfer for mitochondrial DNA mutation causing Leigh syndrome. Fertility and Sterility (2016) Abstract.

8. M Alikani et al, First birth following spindle transfer for mitochondrial replacement therapy: hope and trepidation. Reproductive BioMedicine Online (2017)

辦公室實驗：怎樣才是最佳工作環境？

Mayo Clinic 想要證明室內工作環境對身心靈健康的影響，和紐約的設計公司 Delos 合作了一個計畫，花了五百萬鎂在 Rochester 市中心建了一個七百平方公尺大的實驗室 Well Living Lab，裡面的溫度、濕度、聲音、燈光，或是玻璃窗的色調都是可以變的，牆也是可以移動的，用以創造各種不同的工作環境，參與者可以在裡面住上幾週或上月。

第一批試驗參與者是八位 Mayo Clinic 的員工，他們在五月底搬入這個 Well Living Lab，裡面可以隨他們佈置成他們想要的樣子。接著，研究者開始惡搞.... 哦，是幫他們創造各種環境，例如把溫度調高(或調低)，改變燈光或玻璃窗的色調，播放各種聲響，像是電話鈴聲、講話聲等等，而參與者在裡面的各種反應和身體狀況，例如心跳和皮膚的導電度 -- 用以評估壓力程度，都被研究者們觀察和紀錄。

專家認為室內環境和健康息息相關，例如噪音被認為會引發高血壓和心血管疾病，人造燈光會打亂生理時鐘，長時間的靜態生活可能會導致糖尿病、心血管疾病、癌症或早死，尤其現在很多工作都是整天坐辦公室沒在動的。也有研究顯示某種燈光可以改善阿茲罕默症患者的睡眠和降低憂鬱症、在開放式辦公室的員工比較常請病假、在光線明亮教室裡上課的學生學習和讀書效率比較好..... 等等。工作壓力所造成的花費，像是病假、醫療費用和低生產力，全球每年要個上千萬。因此科學家們想利用這個實驗，看看哪種工作環境是最好的，好作為實用的建議給各個公司做參考，讓他們提供員工好的工作環境。

於是，2012 年的時候，Delos 想要建立一套規範作為「健康建築」的標準 -- the WELL Building Standard，但是在建立的過程中，發現此方面的研究論文中有許多落差或太過單一面向，像是在空氣流通的房間裡，員工的認知功能比較好，而噪音則會降低認知功能，但是在現實的環境中，兩者有時是衝突的，例如為了要讓空氣流通而打開窗戶，但是室外的噪音又會因此傳進室內，在這樣的情況下，員工的工作狀態是會因為開窗變得比較好還是會比較壞？為了測試各種環境的影響和建立一套完整的建築設計標準，2013 年的時候 Delos 便開始和 Mayo Clinic 討論及合作了這個 Well Living Lab。

參與者在 Well Living Lab 裡面體驗著各種居住和工作環境，研究者們觀察和紀錄他們的反應，每次改變環境後都會詢問參與者的心得，像是舒適度、滿意度或生產力、壓力等等。環境變化上的細節包括溫度和燈光等等，也可以測試各種因素之間的交互影響，看怎樣的環境條件下對工作表現影響最大，例如比較 "自然光/22C/濕度 55%"、"自然光/18C/濕度 50%、或是 "透明光/22C/濕度50%" 等等之類情況下的員工生產力。

Delos 目前更擴大研究範圍，收集起辦公室內的各種微生物，像是細菌、黴菌等等，如果在室內放一些植物是否能改變環境生態，創造一個有益菌的空間？另外還有辦公傢俱，站式辦公桌是否能減少心血管疾病，如果可以，要站多久？除了辦公室，他們也開始研究怎樣的居家環境可以改善身心靈健康。

其實我覺得住的舒適與否每個人自己都有一套標準，重點是有沒有錢讓自己過那樣的生活啊，我也知道怎樣的居家環境可以讓我每天身心靈健康又愉快，但就是沒錢能怎麼辦呢？（淚）然後工作環境也是看老闆願不願意提供員工舒適的工作環境啊，像是可以調整的辦公桌或是座椅，或是有大片窗可以欣賞風景的辦公室，老闆不願意花這個錢讓員工在舒適的環境下工作，那又能怎樣呢？台灣慣老闆搞不好只會覺得為什麼要讓員工過這麼爽，一點都沒有刻苦耐勞的工作態度。XD

不過那個 Well Living Lab 感覺很舒適耶，好想去試住看看哦，參與者說他待在裡面都不想出來了。XD

“I don't want to go back,” says Mouchka. “I'm hoping we're here for a year.”



Article:

Emily Anthes, The office experiment: Can science build the perfect workspace? Nature (2016)

2016 諾貝爾生醫獎：大隅良典和他的酵母菌

今年的諾貝爾醫學/生理獎出爐了，得獎的是 autophagy，得主是日本東京工業大學的分子生物學家大隅良典，他是做博士後的時候才開始研究酵母菌的呢。（這是說博士唸完後才換領域的話，還是有可能得諾貝爾獎的嗎？XD）大隅畢業於日本東京大學，之後繼續在東大(農芸化学科)念博士。1974 年到紐約 Rockefeller University 的 Dr. Gerald Edelman 實驗室做酵母菌 DNA replication 的研究。博士後結束後，1977 年時回到東京大學當研究員(research associate)和講師。1988 年的時候成為助教授(associate professor)，建立了自己的實驗室，時年 43 歲。

Vacuoles 是酵母菌在 light microscope 下唯一可以被觀察到的 organelle，大隅在顯微鏡下看著這些 vacuoles，開始研究起他們在細胞裡的功用。1980s 年代時，vacuoles 被認為只是用來儲存細胞內垃圾的地方，當大隅在紐約做博士後的時候，他試著把酵母菌的細胞核利用離心力分離出來，卻在分離的過程中發現離心管最上層是一層 orangelles -- 原本在分離細胞核過程中會被丟掉的東西，他注意到那些是 vacuoles。回到日本後，大隅在安楽泰宏教授實驗室繼續做酵母菌的研究，那時他是研究細胞怎麼把物質運送到 vacuoles。他在建立自己的實驗室後，開始研究 vacuoles 在細胞內的分解(降解)功能 [註]，「做別人沒做過的」是他做這個研究的動力。

在 1950s-1960s 年代，科學家已知道動物的某些細胞會用 autophagy 來回收蛋白質和其他細胞內物質後再利用，尤其是在壓力情況下，像是處於缺少養分(飢餓)狀態或是受到感染時候，但是不知道其運作機制。大隅那時想，用單細胞的酵母菌來研究的話，說不定可以解開迷團。雖然酵母菌的 vacuoles 裡面有降解酵素，但是用來降解什麼東西，以及是怎麼運作的卻沒人知道。大隅認為當酵母菌處於飢餓的狀態，應該是 vacuoles 最活躍的時候，於是他讓酵母菌餓了幾個小時後，在顯微鏡下觀察它，結果發現 vacuoles 裡面充滿了東西(granules)，然後那些東西慢慢被降解(消化)掉了，他在顯微鏡下親眼見證了酵母菌的 autophagy。(當時的顯微鏡最大倍數是 600x，現在則可以到 2500x。我還沒用過 2500x 的說，但是說真的 600x 以下根本看不到什麼，細胞超小的，更別說看到裡面的什麼 organelles，頂多只能看見細胞核，要看清楚至少要 600x。)

大隅良典："So my message to all of you, who want to pursue a career in science, is to do what no one else is doing, and do what you find truly interesting. Research isn't easy. However, if you're really drawn to a subject and you're interested in it, you'll certainly overcome all the obstacles, even if, say, your work isn't appreciated for a time. You only live once. Others aren't interested in trivia. In the end, you have to want to taste the pleasures of success after all is said and done."

註：在人類細胞內，同樣用來降解垃圾的是 lysosomes，發現者是比利時的科學家 Christian de Duve，因此得到 1974 年的諾貝爾生醫獎。



References:

2016 Nobel Prize in Medicine or Physiology (official press release)

Science News / Nobel honors discoveries on how cells eat themselves

Nature News / Medicine Nobel for research on how cells 'eat themselves'

The Scientist / Autophagy Pioneer Wins Nobel

大隅良典在 2012 年的專訪：英文版、日文版

得獎 key paper：M Tsukada, Y Ohsumi, Isolation and characterization of autophagy‐defective mutants of Saccharomyces cerevisiae. FEBS Letter (1993)

【 補充 】The Scientist 這篇關於 autophagy 的好專業（"The Enigmatic Membrane"），而且機制圖也做得好好，本來想說這撰文記者也太厲害，大概是同行，結果看了前一篇才發現，原來作者之一的 Sharon Tooze 是今年諾貝爾生醫獎得主大隅良典的朋友。


Figure: The Scientist 2016

咖啡因對生理時鐘的影響

這篇研究說咖啡因不只會讓你清醒，會延遲你的生理時鐘，不過感覺對我來說好像沒這個效果說。其他會打亂生理時鐘的還有每年兩次的 daylight saving time (日光節約時間)和長途飛行，日光節約時間只有一個小時，對我來說其實也沒差，只是少一個小時那天會覺得頗失落 XD，倒是從台灣飛回溫哥華的時候，如果沒上班整天待在家的話，時差真的很難調。

褪黑激素(melatonin)是生理時鐘的夜晚的訊號，由 suprachiasmatic nucleus (SCN, 上視交叉核)所控制的，它可以開始生理上夜晚的反應，例如促進睡眠。而之前研究顯示，咖啡因可以迅速降低 pineal gland (松果腺)內的褪黑激素。（btw, 看了這篇寫的才知道，原來生理時鐘平均比 24 小時還長啊。）

這個研究有五位受試者，每個人的作息都嚴格控制 49 天，就是每天睡前分別會給與以下其中兩種狀況(double-blind)：
- 在正常睡眠時間的時候開始給三個小時的亮光，超亮光(bright-light, ~3000 lux)或昏暗光(dim-light, ~1.9 lux)。
- 睡前三個小時給 double-espresso 量的咖啡因(2.9mg/kg)，然後每半個小時取唾液測量褪黑激素的量。
- 安慰劑 placebo

所以會四種組合：
1) dim-light + placebo
2) dim-light + caffeine
3) bright-light + placebo
4) bright-light + caffeine

結果發現，褪黑激素會在黑暗或睡眠開始時增加，而咖啡因會使褪黑激素量最高的時間的晚 40 分鐘(dim-light caffeine 比 dim-light placebo 晚四十分鐘)，光亮(bright-light placebo)則使褪黑激素高峰期晚約 85 分鐘，咖啡因和亮光(bright-light caffeine)一起的話並沒有加倍的效果(~105 mins)(同樣是跟 dim-light placebo 比較)。試在細胞株(osteosarcoma U2OS)上看其中機制是什麼的時候，發現咖啡因是作用在 adenosine A1 receptor (A1R) 上面，這會使得下游的 secondary messengar cyclinc AMP (cAMP)增加。不過之前研究顯示，咖啡因大多作用在 adenosine A2 receptor (A2R) 上面，這可以解釋咖啡因為何有兩個不同但相關的作用 -- 提神和延遲生理時鐘。

*Caffeine is an AR antagonist and competes with adenosine for binding sites on serpentine adenosine receptors
*Caffeine inhibits PDEs, which degrades cAMP, leading to an increase in cAMP levels

嗯，所以雖然喝了咖啡以後還是想睡，但體內的褪黑激素還是會延遲增加嗎？褪黑激素理論上是跟的光亮和生理時鐘走的，暗的時候會增加，依這個篇研究的結果，光亮的影響比咖啡因還大，那吃了褪黑激素還開燈的話不就根本沒用嗎？之前吃了感覺沒有特別效果，但也忘了是不是吃了以後還開燈摸很久才睡。有空再來查看看有沒有關於吃了褪黑激素又開燈睡的研究好了。



Article:

The Scientist / How Caffeine Affects the Body Clock


Paper:

TM Burke et al, Effects of caffeine on the human circadian clock in vivo and in vitro. Science Translational Medicine (2016)