睡覺有多重要？幫你洗腦！

人是種需要睡覺的動物，累的時候睡一覺可以讓你恢復體力，頭腦變清醒。沒睡覺或睡眠不足則會讓你學習力降低、反應變慢，嚴重點的，長期失眠還會造成死亡，連續幾天到幾個星期的睡眠缺乏(sleep deprivation)可以殺死老鼠和果蠅。大家都知道睡眠很重要，沒睡覺會精神不濟，但睡覺真正的功能是什麼呢？2013 年有一篇刊登在學術界三大期刊之一《Science》的研究引起眾多討論 [1]，Dr. Nedergaard 領導的這個研究顯示睡覺的重要功能之一就是大清洗你的腦部。


Figure: M Nedergaard, Science 2013 [2]

大腦內的清掃系統

動物的身體是由細胞組成的，細胞在工作的時候會產生大量的代謝物(metabolic products/waste)，這些代謝物（或稱垃圾）是由淋巴系統從細胞帶走，送到肝臟去分解排出，但問題是腦部沒有淋巴系統，卻是個充滿腦神經細胞，工作量極大，會產生很多垃圾的地方，腦部的垃圾要怎麼清除呢？2012 年的時候 Dr. Nedergaard 和他的夥伴 Dr. Iliff 先發表了一篇論文在 Sci Transl Med [2, 3]，他們的研究顯示大腦是靠腦脊髓液(cerebrospinal fluid, CSF)把腦部的垃圾帶走的，CSF 經由動脈周邊的空間(para-arterial space)進入腦部，para-arterial space 是動脈和其中一種腦細胞 glia (astrocytes) 之間的空間。CSF 進入腦部之後會沿著動脈流到大腦各處，再經由 glia 細胞膜中的通道蛋白 AQP4 (auqaporin-4) 流出 para-arterial space，深入到細胞間清洗、和組織間液(interstitial fluid, ISF)交換、帶走垃圾，然後再流進 glia 和靜脈之間的空隙 para-venous space（上圖），沿著靜脈流到頸部，進入淋巴系統，跟其他身體部位產生的垃圾一起被送到肝臟。這個腦部清洗系統因為是立基於腦細胞的 glia，所以取名為 glymphatic system。由於這個清洗的大動作需要耗費很多精力，Dr. Nedergaard 和他的夥伴就想啦，腦部應該沒辦法同時工作（思考或指揮其他動作）和清洗，大腦清醒的時候要工作，那大清掃是不是利用睡覺休息的時候呢？

大腦在睡覺時進行清洗

在這篇刊在《Science》的研究中，作者 Xie 花了兩年的時間訓練老鼠睡覺，然後用 two-photon imaging 觀察 CSF 在腦內的流動狀況，看是不是 CSF 的流動在清醒時和睡覺時有什麼不同。首先他把綠色螢光顯劑 FITC-dextran 注射到睡覺的老鼠腦中的 CSF，然後在接下了的半個小時裡紀錄 FITC 在腦內的流動情形，接著輕點老鼠的尾巴把牠叫醒，十五分鐘後再注入紅色螢光顯劑 Texas-red，同樣紀錄流動情形。結果他們發現，在睡覺的時候，FITC 大量流動在動脈周邊，進入到細胞間隙，但老鼠醒了之後才注入的 Texas-red 並沒有流動，跟 FITC 的流動面積比起來少了 95%。在另一個實驗中，他們把 FITC 注入清醒的老鼠腦內 CSF，同樣在接下來的半個小時內紀錄其流動情形，接著用 ketamine/xylazine 麻醉老鼠，十五分鐘後注入 Texas-red，觀察它的流動情形，他們發現在醒的時候 FITC 幾乎沒有流動，但麻醉後才注入的 Texas-red 大量流動，進入到細胞層，流動面積和自然睡覺時差不多。

是什麼造成清醒時和睡覺時 CSF 的流動差異呢？作者們想了，會不會是細胞之間的空隙(interstitial space)大小不同呢？清醒時細胞間隙比較小，造成 CSF 流動的阻力，所以流比較慢，睡著時空隙比較大，CSF 也就流動比較快。他們用了一種叫 TMA (tetramethyl-ammonium)的技術測量細胞間的流動空間，結果發現清醒時腦部間隙容量(interstitial space volume)只有 14%，睡著時則增大到 23.4%，他們也比較了麻醉時的情形，發現清醒時是 13.6%，麻醉後是 22.7%，跟清醒時相比增加了 60%。


Figure: S Herculano-Houzel, Science 2013 [4]

睡覺時的清洗活動可清掉阿茲海默症的致病因子 Aβ

很多神經性疾病，例如阿茲海默症(Alzheimer's Disease)或是帕金森氏症(Parkinson's Disease)，是由於蛋白結塊堆積在腦部造成的，阿茲海默症主要是因為 β-amyloid (Aβ)和 tau 堆積造成腦細胞死亡。在之前的研究中，Nedergaard 和 Iliff 發現 glymphatic system 能清洗掉 65% 被標記後注入到老鼠腦中的 Aβ [2]，於是他們在這次的研究中測試睡著和清醒時 Aβ 被清洗掉的速度有什麼差別，結果發現睡覺時清洗掉 Aβ 的速度是清醒時的兩倍。

現在知道腦部是在睡著時清洗腦中廢物，而且睡覺時清洗比較快是因為腦細胞間隙(interstitial space)變大的緣故，那是什麼控制清醒和睡著時的開關呢？是什麼機制能讓大腦知道「現在是睡覺時間，可以開始清洗了」呢？由上面的實驗知道，麻醉也可以造成和睡覺一樣的效果，表示腦部大清洗不是由生理時鐘控制的，而是單純由「醒」和「睡」來控制，之前有研究顯示正腎上腺素傳遞系統(noradrenergic signaling)處理清醒時的意識狀態，於是他們想確定是不是這個機制控制細胞間隙的大小，進而影響 CSF 流動。在這個實驗中，他們先把綠色顯劑 FITC 注入清醒老鼠的腦中，三十分鐘後再慢慢把抑制 noradrenergic signaling 的藥(adrenergic antagonists)送進去，持續約十五分鐘，緊接著再注入紅色顯劑 Texas-red。結果顯示接在腎上腺抑制劑後注入的 Texas-red 流動面積大大增加，甚至跟睡著時和麻醉時差不多。皮質電掃描 ECoG (electrocorticography)顯示腎上腺抑制劑會使腦部進入類睡眠狀態，而 TMA 紀錄也顯示在注入抑制劑後，細胞間隙榮容量(interstitial space volume)由 14.3% 增加到 22.6%，表示正腎上腺傳遞機制不只控制了腦神經細胞的活動，也控制 interstitial space volume。

作者之前也有在 TED 演講喔，有興趣可以看看。

這個研究告訴我們，睡眠是很重要的，大腦要睡覺才能夠清洗掉細胞工作產生的垃圾，不讓它們累積在腦中造成致病因子。而不管是哪種睡，只要大腦進入睡眠狀態，就會開始洗腦的動作。所以呢，不管早睡晚睡，有時間就睡覺，絕對是 Z > B der。


相關文章：大腦內的淋巴系統、睡覺的時候如何洗腦？



References

1.  Xie et al, Sleep Drives Metabolite Clearance from the Adult Brain. Science (2013) DOI: 10.1126/science.1241224

2. M Nedergaard. Garbage Truck of the Brain. Science Perspectives (2013)

3. JJ Iliff et al, A Paravascular Pathway Facilitates CSF Flow Through the Brain Parenchyma and the Clearance of Interstitial Solutes, Including Amyloid β. Sci Transl Med (2012) DOI: 10.1126/scitranslmed.3003748

4. S Herculano-Houzel. Sleep It Out. Science Perspectives (2013)

5. E Underwood. Sleep: The Brain's Housekeeper? Science News&Analysis (2013)
Web version: Sleep: The Ultimate Brainwasher?

閱讀小說能夠幫助你理解人心

這是無意間發現的一篇 paper，是有關 Theory of Mind (ToM)，什麼是 ToM 呢？就是一種了解自己和別人心理的能力，了解每個人都有每個人的信仰、觀點和想望，而且了解每個人是不同的，其他人的信仰、觀點和想望是會和自己不同的。學者們把 ToM 分成兩種，cognitive ToM 是指能夠推測別人意圖的能力，affective ToM 是指能夠察覺和了解別人情緒的能力，而這又包含兩種，一種是正向的，也就是同理心(empathy)，另一種是負向的，指反社會行為(antisocial behaviour)。有些人這方面的能力是有缺陷的，例如自閉症(ASD)，所以他們的社交會有困難，無法對別人產生同理心。

ToM 是要從小培養的，例如時不時問小朋友，「你覺得你的行為會讓別人開心或難過？」其他培養 ToM 的方法包括了閱讀文學小說(literary fiction)，這篇發表在 2013 年《Science》的研究表示，閱讀文學小說可以幫助 ToM 的建立 [1]。這個研究主要是讓受試者閱讀節錄自文學小說或非文學的大眾小說(popular fiction)的短文，或是根本就不讀任何短文，然後進行幾個心理實驗，例如下面所述的 false-belief task，還有看演員眼睛或全臉的照片（RMET 和 DANVA2-AF）然後描述照片裡的情緒為何，或是 Yoni task 等等，看看文學和非文學的閱讀有何影響。文學小說主要是以得獎作品為主，至少要有兩個人物刻劃，內容能夠引領讀者去猜測其中人物的想法和思考其中的含意。

此研究中用的 false-belief task，或稱 Sally-Ann test（如下圖），常被用來測試 cognitive ToM，我覺得滿有趣的，是說 Sally 和 Ann 各有一個不同顏色(或形狀)的盒子，Sally 有一個球，她把球放進她的盒子裡後出去散步，Ann 趁她散步的時候把球換到自己的盒子裡，然後讓小朋友猜猜看，Sally 散步回來後會先去找哪個盒子拿球。（在這個研究中，Sally 和球由 Vicki 和小提琴代替。）


Figure: LJ Byom & B Mutlu, Frontiers in Human Neuroscience (2013) [2]

正常人都會認為 Sally 會先去自己的盒子找球，因為會假設她並不知道自己的球被換到 Ann 的盒子裡，仍然相信球是在自己的盒子裡這個錯誤的資訊（所以叫 false-belief），但是 ToM 有障礙的人會認為 Sally 會直接去 Ann 的盒子拿球，因為他們無法理解 Sally 並不知道自己的球被 Ann 移動了。

這個實驗在 1983 年的時候由 Wimmer 和 Perner 提出來，他們對兒童做了幾個這類的實驗，結果發現 3-4 歲的小孩無法分辨 false-belief，沒有小孩正確指出主角會在原本的地方裡找他的東西，4-6 歲有 57%，6-9 歲有 86% 可以指出正確的地方，由此可看出小孩在 3-5 歲之間的轉變，開始會分辨 false-belief [3]。



TED 的這則演講《Rebecca Saxe: How we read each other's minds》便是在解釋這個，裡面有對小孩子做的 false-belief 實驗，很有趣。

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補充：

RMET (Reading the Mind in the Eyes Test)：用來評量 affective ToM，預測正常人中的自閉症傾向，和非臨床的心理問題(psychopathic characteristics)、同理心和 Machiavellianism (對人事物沒有情緒，可以讓自己脫離普世的道德觀而欺騙和操縱其他人)。

DANVA2-AF (Diagnost Analysis of Nonverbal Accuracy adult faces test)：用來評量社交上的互動狀態，範圍包括心理上的問題到職場上的成功。

Yoni test：可以同時評量 cognitive & affective ToM，測試方式是給受試者四張圖，中間那張是主要人物 Yoni，四周放了四張不同的東西，要受試者依據表情指出 Yoni 在想什麼、想要什麼、喜歡或不喜歡。（如下圖）


Figure: Shamay-Tsoory et al, Brain (2007)

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而 Kidd 的這個研究結果顯示，閱讀文學小說是對 ToM 有幫助的，所以大家有閒情逸致的話還是多看點文學小說吧，也可以鼓勵小朋友從小就練習讀這類小說。不過文學小說本身的定義也有點爭議就是了，有的認為 literary fiction 只是一種行銷手法，不過普遍的定義還是指對人物的刻畫入微，仍夠引人省思的小說吧。（這篇有定義何謂文學小說，滿有趣的可以看看。）所以到底哪些才叫文學小說呢？嗯，簡單來說就是有得獎的，不然就參考一下這個書單好了，看了以後有沒有覺得跟你猜想的書是一樣的呢？哈哈，也許有好幾本各位都已經看過了吧。XD（其中動物農莊 Animal Farm 和蒼蠅王 Lord of Flies 可是加拿大高中英文課指定讀物喔~）


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References

1. DC Kidd & E Castano, Reading literary fiction improves Theory of Mind. Science (2013)

2. LJ Byom & B Mutlu, Theory of Mind: mechanism, methods and new directions. Frontiers in Human Neuroscience (2013)

3. H Wimmer & J Perner. Beliefs about beliefs: Representation and constraining function of wrong beliefs in young children's understanding of deception. Cognition (1983)

常用縮寫及拉丁片語

因為在科學文獻中也常看到，所以這篇列出一些常用的英文縮寫和拉丁片語。


i.e.: [Latin] id est (that is)
e.g.: [Latin] exempli gratia (for example)
etc: [Latin] et cetera (and the rest, and so forth)
N.B.: [Latin] nota bene (note well, special attention should be paid to something)
P.S.: [Latin] post scriptum (written after, a note appended to a letter after the signature)
vs.: [Latin] versus (against)
ca.: [Latin] circa (approximately, about)
cf.: [Latin] confer (compare)

FYI: for your information
aka: also known as
ASAP: as soon as possible
RSVP: [French] répondez s'il vous plaît (please reply)
CV: [French] curriculum vitae (resumé [French] ; a summary of your academic and work history)

Other common used Latin phrases:

per se: in itself; for its own sake. Simply as such; in its own nature without reference to its relation.
per annum: by the year; annually.
pro rata: for the rate; proportionately.
per capita: [per head] Average per person; per unit of population; per person.
per diem: [through a day] By the day; per day.
vice versa: [with position turned] The other way around, conversely.
de novo: [from the new] Over again, anew.
de facto: [from the fact] in fact, existing in fact
de jure: [in law] according to law, by right, legally

a priori: deductive; proceeding from a known/assumed cause or a general principle to the expected facts; presumptive, without examination or not by experience/facts - e.g. There's no a priori reason
in limbo: uncertain future
ad libitum: at one's pleasure; not obligatory or indispensable
bona fide: real or genuine, authentic; done in a good faith
tour de force: feat of strength; something done with great skill; very skillful and successful effort or performance

alias: [otherwise] An assumed name.
veto: [I forbid] Refusal of permission; to prevent or forbid authoritatively.
via: [by the road] By way of; by means of
erratum: error; mistake

in situ: [in the place] In the original place, appropriate position, or natural arrangement.
in vivo: [in life; in a living thing] Within a living organism. An experiment or process performed on a living specimen.
in vitro: [in glass] In an artificial environment outside the living organism. An experimental or process methodology performed in a "non-natural" setting (e.g., in a laboratory using a glass test tube or Petri dish), and thus outside of a living organism or cell.

* take (something) with a pinch/grain of salt: with considerable doubt
* the ensemble of: a group of similar systems
* fly in the face of: go against; fail to agree with
* be on (a) par with: equal to

* The grass is always greener on the other side (of the fence). - People always think they would be happier in a different set of circumstances. (Usually implies that the other circumstances really are not any better: The grass is not always greener on the other side of the maze.)

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Referred website: Answers.com > Latin pharses

一滴血透露了你感染了那些病毒

我們的週遭充滿了各種病毒，也多少感染過不少病毒，像是感冒病毒(rhinoviruses)、流感病毒(influenza viruses)或是皰疹病毒(herpesviruses)，不過目前的技術只能一次測一種病毒，例如最近要是去了韓國，回來後發現發燒了，懷疑自己是不是感染到 MERS 便跑去醫院診斷，出來的結果就只會知道你有沒有感染到 MERS，不會知道是不是還感染到了其他的病毒。不過這個月有篇發表在知名國際期刊《Science》的研究，表示有個新的叫 VirScan 的技術可以用一滴血，一次就告訴你感染了那些病毒，還有你的病毒感染史。

目前的技術主要是看你血液中含有那些抗體(如果你有感染過病毒或細菌，身體裡面就會產生那個病毒或細菌的抗體)，或是看你體內有沒有病毒的基因，而此研究的計畫主持人，哈佛醫學院的生物學家 Stephen Elledge，想要研發一個一次就可以知道你過去和現在感染的所有病毒的技術。


Figure: VirScan. Xu & Kula et al, Science 2015（每一行代表一個病毒帶有的所有 antigen，每一列代表一個樣體，顏色代表抗體量。）

Elledge 和他的團隊，利用 DNA microarray 和 T4 bacteriophage 建了一個涵蓋 206 種病毒，共超過一千個 strains 的病毒 peptide library (93904 peptides)，這些 peptides 是病毒蛋白的片段（也就是抗原 antigen），會表現在 T4 phages 的表面，被相對應的抗體辨識，當把人類的血液檢體和 T4 phages 混在一起後，血液裡面的抗體會找到相對應的病毒 peptides，之後再用 Protein G 去拉下表現其抗原的 T4 phages (immunoprecipitation)，再用 PCR 來找出是哪些病毒的蛋白片段，這表示血液中含有那些病毒的抗體，也就是說帶原者感染到那些病毒。由於在初感染過後的十到十四天，身體會產生抗體，且會在體內持續十幾二十年，所以這個 VirScan 這個技術也可以得知過去十幾年感染過哪些病毒。

這個研究檢驗了來自各洲的血液樣本，包括美國(北美)、泰國(亞洲)、南非(非洲)和秘魯(南美)，共 569 位血液捐贈者，其中也包括 HIV (AIDS) 帶原者，測試了超過一千萬的抗原和抗體的相互反應(antigen-antibody interaction)。這個技術只需 2ug 的免疫球蛋白(Ig, immunoglobin)，也就是約不到 1ul 的血清，大量的掃描檢驗可以把每個檢體的測試成本降到 $25 (美元)，他們發現這個技術和傳統的方式 -- 也就是用血清抗體測試單一病毒 -- 得出來的結果相同，而且敏感度和辨識度也很高，可以有效辨別 HSV-1 和 HSV-2。測試的結果顯示，每個人平均帶有十種病毒的抗體，其中有兩個以上的人，血液裡帶有 84 種病毒。所有檢驗的血液檢體中，最常見的有感冒病毒(RV-B, 71.8%)和皰疹病毒(HSV-4, 87%)。這個研究有個有趣的發現：有的 peptides 能被大多數人的血液裡的抗體辨識，就是說每個病毒都有一個主要的蛋白片段是可以被大多數人的抗體辨識的，例如 RSV (respiratory syncytial virus) 蛋白序列中的 141-196 這一段是被所有可檢測到此病毒的檢體所含抗體辨識到的，他們稱之為 "common epitopes"。

雖然這個技術敏感度高，辨識抗原的效果也不錯，不過也有些限制是需要繼續克服的，例如被 post-translationally modified 過的抗原 peptides 無法被辨識，另外就是包含在這個 library 裡的病毒才能被辨識到，所以必須不停的更新和增加 peptide 資料庫。哥倫比亞大學(Columbia University)的微生物學家 Vincent Racaniello 說，常見的腸道病毒，例如諾羅病毒(noroviruses)和輪狀病毒(rotaviruses)被檢測到的比例沒有他預期的高，可能的原因是其抗體存在體內的時間不夠長（雖然抗體通常是終身性的），或是其他技術上的問題。再來就是 peptide 的大小限制，這個資料庫裡的 peptide 長度是 55 個胺基酸(amino acids)，所以如果抗體能辨識的抗原大小在 55 個胺基酸以上的話，那可能就辨識不到。

撇開以上的限制，VirScan 不失為一個檢測的重要工具，而且成本也不高（$25 美金應該算很便宜吧），是個頗具前瞻性的新技術。


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Article:

SCP Willams, New test could reveal every virus that's ever infected you. Science News (2015)


Paper:

GJ Xu & T Kula et al, Comprehensive serological profiling of human populations using a synthetic human virome. Science (2015)

肥胖界的新救星 -- 雷公藤紅素？

對於吃東西就會胖的人來說，減肥是一輩子的事啊。今年一月的時候世衛(WHO)發表了一份報告說從 1980 年至今，肥胖的人口已增加了一倍，2014 年的時候，有超過估計全球有十億九千萬的成人過重(overweight)，而這其中有超過六億人口肥胖(obese)。過重人口光是十八歲的就有 39%，肥胖的十八歲成人也占了 13%，然後 2013 年五歲以下的孩童過重或肥胖的有四千兩百萬，還滿驚人的數字。更重要的是肥胖(obesity)是很多疾病的主因，例如糖尿病(type 2 diabetes)、心血管疾病、高血壓和脂肪肝炎等等，這些疾病不僅會降低生活品質，也會減短壽命。

減肥主要的兩個方法是少吃和運動，不過對懶人來講，最好是有什麼東西吃了就能瘦了吧？上個月有篇發表在《Cell》的論文說，中藥雷公藤的雷公藤紅素是瘦素(leptin)的 sensitizer（不知道中文叫什麼），可以降低食物攝取，進而幫助減肥 [1]。瘦素是由脂肪細胞(adipocyte)產生的賀爾蒙，其表現基因是 obese (ob) gene，少了這個基因的老鼠(ob/ob)會有爆食的現象(hyperphagia)，這個基因是二十年前由 Friedman 和他的同事發現的，本來以為可以為治療肥胖展開新的一頁，但這個希望很快就破滅了，為什麼呢？

瘦素是一個傳送訊號到腦下視丘(hypothalamus)的 messenger，下視丘是控制體重和食物攝取的指揮中心，瘦素從脂肪細胞被釋放出來後會進到血液中，隨著血液流到腦部，穿過 BBB (blood-brain barrier) 後進到下視丘，激活它的接受器(leptin receptor)，啟動一連串的訊息傳送，告訴大腦要減少食物攝取和增加能量消耗以維持好體脂量 [2, 3]。聽起來很不錯吧？所以呢~ 本來是希望利用給予額外的瘦素來幫助減重，但後來發現肥胖的人血液中的瘦素其實很高(hyperleptinemia)，那為什麼這些人還是照吃很多無法減重呢？而且有研究發現，長期的高脂飲食會使血液中的瘦素升高，於是科學家們就想說，該不會是瘦素在肥胖的人裡失效了吧？就是說大腦和身體已經對瘦素無感了(leptin resistance, leptin insensitivity) [4]。

這篇刊在《Cell》，由哈佛和 MIT 團隊合作的研究，是藉由一個叫 Connectivity Map 的技術(有點艱深就不在這裡解釋了，不然要寫很長，有興趣的可看原論文，或參考 [5] )找到了一個可以恢復 leptin sensitivity 的小分子(small molecule)，那就是（據說是？）中藥的雷公藤(thunder god vine)裡面含有的一個叫「雷公藤紅素」(Celastrol)的東西。

這個研究用了四種老鼠，分別是正常的瘦老鼠(lean mice)、原本是瘦的但被餵了 16-20 個禮拜高脂飼料而變肥胖的胖老鼠(DIO, diet-induced obese mice)、缺少瘦素基因的老鼠(ob/ob mice)和缺少瘦素接受器的老鼠(db/db mice)。在實驗前，他們先測了瘦老鼠和胖老鼠血液中的瘦素(plasma leptin)含量，瘦老鼠的瘦素量很低，胖老鼠的則很高，跟之前的研究結果相符 [2]。他們連續三個禮拜每天都幫瘦老鼠和胖老鼠施打 Celastrol，結果發現有施打 Celastrol 的老鼠體重在前兩個禮拜降很多，之後趨於穩定，三個禮拜後總共減少了 27.67%，非脂量(lean mass)沒變，但是體脂量比沒施打 Celastrol 的老鼠少了 41%。他們也測了血中瘦素含量，施打了三個禮拜的 Celastrol 後降到和瘦老鼠血中瘦素含量差不多，食量在第一個禮拜大減，少了有 79%，但之後慢慢回升到跟沒施打 Celastrol 的老鼠吃的差不多量。

而和胖老鼠不一樣，瘦老鼠本身血液中瘦素的含量就低，依胖老鼠的結果得知，Celastrol 只有在一開始血中瘦素含量高的時候效果才明顯，瘦素降低到正常量的時候身體對 Celastrol 就沒反應了，所以可以預測，Celastrol 對血中瘦素含量低的瘦老鼠減重的效果有限。的確，被施打 Celastrol 的瘦老鼠體重並沒有減低，相反的，還增加了一點，而食量、非脂量、血中瘦素含量和體脂量則都維持不變。從以上結果得知，Celastrol 是瘦素的 sensitizer。


Figure: J Liu & J Lee et al, Cell 2015

為了要進一步證實 Celastrol 是 leptin sensitizer，所以他們也幫缺少瘦素(ob/ob)和瘦素接受器(db/db)的老鼠施打 Celastrol，因為比起低瘦素的老鼠，這兩種老鼠應該對 Celastrol 更沒有反應，結果三週施打下來的結果，有打 Celastrol 和沒打的老鼠一樣，除了體重增加外，非脂量和體脂量都沒變，食量中間有些微變化，但後來又回到原本的量。

用打的完了再來換用吃的看看，結果有吃 Celastrol 的胖老鼠食量大幅減少，而且體重也降了 45%。（有沒有很神奇？）其他有吃 Celastrol 的瘦老鼠和 ob/ob, db/db 老鼠體重和食量都沒有變化。

接著他們想確認 Celastrol 對瘦老鼠沒用是不是真的因為血中瘦素低的原因，於是他們就先幫胖老鼠和瘦老鼠都打了 Celastrol，之後再施打額外的瘦素，結果發現在瘦老鼠方面，Celastrol 雖然沒改善體重，但是額外的瘦素讓老鼠的食量減少了一半，體重也有減輕，而瘦素和 Celastrol 都有施打的老鼠吃的更少，體重減得更多。在胖老鼠的方面，前面知道單是 Celastrol 就可以讓胖老鼠體重減輕，牠們血中的瘦素本來就高，額外單加的瘦素並沒有對食量和體重有什麼改善，但是如果 Celastrol 和瘦素都打的話，食量和體重都減的更多呢！（好神奇阿~）至於沒有瘦素的 ob/ob 老鼠呢？Celastrol 和少量的瘦素可以讓食量減了一半以上，體重也減少了 15%。

最後他們還測了體內葡萄糖和胰島素變化，有施打 Celastrol 的胖老鼠一個禮拜後葡萄糖的代謝速度明顯變快，對胰島素的反應(insulin sensitivity)也有改善，另外血糖和胰島素在打完三個禮拜的 Celastrol 後，也比沒打的老鼠要低。瘦老鼠的話，除了一個禮拜後葡萄糖的代謝速度有改善，其他則沒變化。

這個研究另外還有測 Celastrol 可減輕 ER stress 的程度，因為 ER stress 也是造成 leptin resistance 的主要原因之一，外加對 STAT3 pathway 的影響，這裡就不贅述了，有興趣的可以自己看原論文，是免費的喔。


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這個研究看起來滿 promising，重點是針對的是正常但是被餵養高脂食物而變肥胖的老鼠（就是像我這種吃多了就會胖的 T__T），而且看起來不管原本是胖還是瘦，只要瘦素加 Celastrol 都有效，有沒有這麼神奇阿？本魯很需要，好想買來試試看說，哪裡有賣阿？

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References


1. J Liu & J Lee et al, Treatment of Obesity with Celastrol. Cell (2015)

2. N Sainz et al, Leptin resistance and diet-induced obesity: central and peripheral actions of leptin. Metabolism (2015)

3. MW Schwartz et al, Central nervous system control of food intake. Nature (2000)

4. RC Frederich et al, Leptin levels reflect body lipid content in mice: evidence for diet-induced resistance to leptin action. Nature Medicine (1995)

5. Justin Lamb, The Connectivity Map: a newtool for biomedical research. Nature Reviews Cancer (2007)

一直喝母乳不見得比較好？

最近這幾年人類腸道菌生態(gut microbiome)越來越受到關注，不少疾病後來都發現和腸胃菌有某些關係（例如自閉症），相關研究也越來越多，但是我們腸道裡的細菌是怎麼來的呢？最近有一篇刊在《Cell Host & Microbe》的研究是針對九十八位瑞典媽媽和她們的小孩，收集了媽媽的在生產時、嬰兒出生後第一天(新生兒)、四個月和一歲大時的糞便，然後定序(metagenomic shotgun sequencing)裡面含有的 DNA 以分析其菌落叢有哪些。


Figure: Backhed et al, Cell Host & Microbe (2015)

這個研究分析了生產方式、母親本身和食物會不會影響嬰兒體類的菌落生態，九十八個嬰兒中有十五位是剖腹產，其他是自然產，出生第一天的糞便是看和母親腸道所帶的菌落是否相同，四個月和十二個月的糞便是看食物對菌落叢的影響，因為四個月以前是以母乳為主，四個月則開始吃副食品(solid foods)，一歲後開始吃全餐(full meals)。

研究結果分為以下幾點：

1) 自然產 vs. 剖腹產

以總和來說，最多的細菌種類(phyla)是 Bacteroidetes 和 Firmicutes，第二多的有 Actinobacteria 和 Proteobacteria，嬰兒有的菌落通常媽媽也有，一歲大嬰兒的菌落叢和母親的最相近，但是生產方式會影響嬰兒腸道內的菌落種類。以剛出生的嬰兒來說(出生第一天)，剖腹產的新生兒(newborn)體內菌落以皮膚和口腔的細菌為主，還有一些週遭環境裡的細菌，表示這些因為生產方式而帶進的細菌成為新生兒體內的第一批寄主，媽媽和新生兒體內的菌落只有 41% 是相同的。相較之下，自然產的嬰兒和媽媽相同菌落有 72% 是相同的，而其中的菌種(genus)則是以 Bacteroides, Bifidobacterium, Parabacteroides 和 Escherichia/Shigella 為主，都是新生兒中最多的菌落種類，這個結果也和之前早產兒腸道菌落的研究相符。

新生兒腸道內以 Escherichia/Shigella 為最大量菌種的，此菌種被採集到的時間點也比較早，和胎糞及胎盤中含有大量 Escherichia DNA 的現象是符合的，而剖腹產的新生兒體內的 Escherichia/Shigella 和自然產的相較之下則比較少。剖腹產和自然產的嬰兒，其腸道內菌落的差異性在四個月到一年期間慢慢減少。

以上結果表示，新生兒腸道裡大多數較早出現的菌落是從母親那裡獲得的，而生產方式也影響了嬰兒體內的菌落生態。

（註：Escherichia/Shigella 屬 Proteobacteria，Bacteroides/Parabacteroides 屬 Bacteroidetes，Bifidobacterium 屬 Actinobacteria。）

2) 食物

在嬰兒出生後的第一年裡，腸道裡的菌落生態會由簡單變成複雜，會越來越像成人的，也會越來越跟母親的菌落群相似。

因為細菌多帶有抵抗抗生素(antibiotics)的基因，所以人類腸道裡的菌落裡充滿了各種抗抗生素的基因，這些基因的集合體被稱作 resistome，這個研究發現新生兒的腸道菌內有不少抗抗生素的基因，最多的是抗 bacitracin, tetracycline 和 macrolides，這幾個也是成人腸道裡最多的。而剖腹產的嬰兒，其腸道菌落裡有的抗抗生素的基因比然產的多。

菌落叢生態也和飲食有關，像是飲食以母乳為主新生兒和四個月大的嬰兒，其菌落叢帶有消化母乳糖分的酵素基因，而開始吃副食品的一歲大嬰兒的腸道菌則帶有消化多醣類、澱粉和果膠(pectin)的酵素基因。

newborn	4-month	12-month
PTS (carbohydrate uptake)	lactose-specific transporter (milk as dominated diet)	B. thetatiotaomicron & pectinesterase (primary enzymes in pectin degradation
genes required for sugar degradation from breast milk	genes required for sugar degradation from breast milk	genes involved in degradation of complex sugars and starch
genes for vitamin K2 synthesis (Bacteroides & Escherichia/Shigella)	b-glucoside-specific transporters	b-glucoside-specific transporters

腸道菌也是維他命的重要生產者，例如 Escherichia/Shigella 製造維他命 K2，還有負責生成維他命 B 群的基因，像是 B9 (folate)、B6 (pyridoxal) 和 B7 (biotin)，製造 B1 (thiamine)、B5 (pantothenate) 和 B12 (cobalamin) 的基因也會隨著年齡而增加。另外，重要胺基酸的製造、運送和代謝的多寡也會隨著年齡而改變。

3) 腸道環境的轉變

以自然產來說，新生兒最多的菌種為 Enterococcus, Escherichia/Shigella, Streptococcus 和 Rothia，表示腸道內是相對有氧的環境，而到了四個月大的時候，主要菌落為 Bifidobacterium, Lactobacillus, Collinsella, Granulicatella, Veilonella，顯示環境中的氧氣減少，而因為此時的食物以乳製品為主，乳酸(lactic acid)的製造和使用也增加了。一歲大的菌落叢則包含了新生兒和四個月大的嬰兒腸道裡有的，外加只有一歲才有的菌種，例如 Eikenella。這些菌落大多數是負責降解食物中的纖維和製造短鍊脂肪酸(short chain fatty acid)，分解碳酸化合物(carbohydrates)的功能也變強大，表示嬰兒的腸道環境慢慢轉變為成人的腸道環境。而剖腹產的嬰兒，每個階段的菌種都和自然產的不同。

4) 母奶的影響

分為剖腹產、自然產和只餵母奶，還有自然產和母奶和配方奶兩個都餵三組，結果發現有加餵配方奶的新生兒和四個月大的嬰兒，其腸胃菌生態比只餵母奶的成熟（指比較像成人的腸道菌生態），然後剖腹產的又比自然產的都成熟。

只餵母奶的和只餵配方奶的嬰兒，在四個月大的時候，其腸道菌落有明顯的不同，只餵母奶的有比較多（所謂的）益生菌(probiotics)，像是 L. johnsonii/L. gasseri, L. paracasei/L. casei, B. logum。喝配方奶的四個月大嬰兒，其腸道菌較多的則是 B. adolescentis。

一歲大的嬰兒停喝母奶改喝配方奶後，腸道菌的生態會大幅改變，會變得比較接近成人的腸道菌落，像是會有比較多的 Bacteroides, Bilophila, Roseburia, Clostridium, Anaerostipes，而仍然喝母奶的則不變，依然是以 Bifidobacterium, Lactobacillus, Collinsella, Megasphaera, Veillonella 為主（多為四個月大腸道的主要菌種），這些也是母奶裡帶有的菌種。相較之下，只喝母奶的一歲大嬰兒，其「腸道菌生態年齡」（microbiota age）比不再喝母奶的嬰兒的「腸道菌生態年齡」年輕。

（註：Roseburia, Clostrium, Anaerostipes 屬 Clostridia）

（補充：之前的早產兒腸道菌研究，顯示嬰兒的腸道菌變化分三個階段，最初以 Bacilli 為主，Gammaproteobacteria 在 Bacilli 減少後快速增加，Clostridia 則是慢慢增多，最後成為主要菌落之一。）


總結來說，嬰兒腸道裡的菌落並非隨機產生的，生產方式和母奶是決定一歲前嬰兒的腸道生態的主要決定因素。之前對美國嬰兒的研究和這篇瑞典嬰兒的研究，都顯示隨著年齡的增長，腸道菌落的組成會和原本的(新生兒和四個月大的)差異性越來越大，到一歲時，嬰兒腸道菌落生態會變成和母親的更為相似，也就是變成熟了(maturation)。

自然產的嬰兒，其早期(一歲以前)的腸道菌都是得自於母親，菌落以 Bacteroides 和 Bifidobacterium 為主。相比之下，剖腹產的腸道菌得自於母親的機率較少（例如重要的 Bacteroides 和 Bifidobacterium），其腸道菌落通常與口腔和皮膚的細菌比較相近。腸道菌在嬰兒的生長過程中，扮演了製造維他命和重要胺基酸的角色，而飲食影響了嬰兒以一歲以前的腸道菌生態。不再喝母奶的嬰兒，其腸道菌落會轉變成較似成人的，例如以 Clostridia 居多。相對的，喝母乳的一歲嬰兒其菌落仍是以 Bifidobacterium 和 Lactobacillus 等為主。隨著飲食的改變，腸道菌落種類也會改變，例如四個月到一歲開始吃副食品之後，會出現負責分解食物纖維和多醣類、澱粉的菌種，不過這些改變並不明顯，直到停掉母乳之後才會大幅變化，停喝母乳是改變腸道菌生態，讓其功能更具多樣性、更接近成人的腸道菌落的主要推手。此論文作者說，目前還不知道哪種菌落生態會比較好，但是涵蓋有各種菌落的腸道菌生態也許會比較健康。



所以這表示母乳吃太久也不好，早點戒掉反而能夠讓嬰兒的腸道菌落更有多樣性囉？

另外，這個研究我比較訝異的是自然產和剖腹產為什麼差那麼多？因為 sample 來源是糞便，照理說第一天的應該都一樣阿~ 那時候會在出現在糞便的應該都是從媽媽來的吧？在媽媽肚子裡的時候，外界的細菌要怎麼跑進嬰兒的腸胃裡？還有阿，不知道有沒有做剖腹產但是喝母奶的，很好奇母奶會不會讓剖腹產的嬰兒長出自然產有的那些細菌。



Articles:

Kerry Grens. Maturation of the Infant Microbiome. The Scientist (2015)

Kate Yandel. Gut’s Earliest Bacterial Colonizers. The Scientist (2014)


Papers:

F Backhed et al. Dynamics and Stabilization of the Human Gut Microbiome during the First Year of Life. Cell Host & Microbe (2015)

La Rosa et al. Patterned progression of bacterial populations in the premature infant gut. PNAS (2014)