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【2022年08月31日訊】（記者高文森編譯報導）人們都知道時間從來都只有一個方向：從過去到未來。物理學家最近的一項在確定粒子和細胞如何產生大規模動態方面的新研究取得了進展，正在揭開被稱為「時間箭頭」的這個謎團。

從過去到未來的時間流，這種被稱為 「時間箭頭」（Arrow of time）的現象究竟是如何從粒子和細胞之間的微觀相互作用中產生的，卻一個迷。

6月24日發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters）的一份研究對此進行了探討，並有了一些發現，這可能對包括物理學、神經科學和生物學在內的廣泛學科產生重要影響。

人們對時間的認知，包括任何生命，總是從小長到大，從年輕到年老，這是固定不變的規律。物理學家從更基礎的層面對時間進行了定義，雖然也是在描述這樣的規律，但是聽起來抽象得多。他們把時間的方向性叫做「時間箭頭」（arrow of time），認為是熱力學第二定律衍生出的規律：即任何一個物質系統隨著時間的流逝，無序度總是在增加。系統的無序程度越高，越難回到其以前有序的狀態，「時間箭頭」就越顯著。

因此物理學家總結說，「這個宇宙內物質總是朝向無序的方向發展的特性，是人們感受到時間只朝一個方向流逝的根本原因。」

這份研究的主要作者之一紐約市立大學（CUNY）理論科學研究中心的博士後研究員克里斯托弗‧林恩（Christopher Lynn）說，他們研究組從兩個問題著手探討這個領域。「如果我們考察任何一個特定的系統，我們能夠量化其時間的方向性嗎？我們能夠找出該系統微觀層面時間的方向性（比如細胞與神經元相互作用的微觀系統）是如何拓展到整個系統的嗎？」

林恩說：「日常生活中所感受到的時間箭頭在微觀世界的體現是什麼樣的？我們的研究為理解這個問題邁出了第一步。」

為了解答前面提出的兩個問題，研究人員先探索如何通過觀察系統內特定的組成區塊、以及它們之間的互動分解時間箭頭。這份研究所觀察的特定組成區塊是視網膜內的神經元細胞。他們發現，在一個特定的時間點，時間箭頭可以被分解成由不同區塊產生的不同的片段。這些區塊有的單獨工作，有的兩個、三個一組，另外一些則有著更複雜的組合模式。

定義好如何分解時間箭頭的概念後，研究人員對已有的一套試驗數據進行分析。這項試驗記錄了一隻火蜥蜴（salamander）視網膜細胞對不同視頻的反應。一個視頻展示的是一個單一的物體在屏幕上無規律的移動；另一個視頻展示的是自然界裡會看到的更真實複雜的景象。

研究稱，「分析顯示在兩個視頻的試驗中，時間箭頭都是從兩個一組的神經元區塊中產生，沒有見到更複雜的區塊結構。」

另一個發現更令研究人員感到驚訝：觀看隨機移動物體視頻的視網膜所體現的時間的方向性更高。林恩說：「這項發現對生物體內部如何與外在世界保持一致的認知提出了挑戰。神經科學領域的研究者可能會對這些發現很感興趣。」

這份研究的另一位主要研究者、物理學和生物學教授大衛·施瓦布（David Schwab）說：「把時間箭頭進行分解的理論，是一個巧妙而且具有普遍意義的理論框架，為探索很多具有多維度空間、沒有達到平衡狀態的系統，提供了一個創新的思路。」◇

【2022年09月05日訊】（記者林達編譯報導）當你閱讀這些文字時，你大腦的某些區域會顯示出一連串毫秒級的電活動。可視化和測量這種電活動對於理解大腦如何讓我們能夠看到、聽到、或閱讀文字單詞至關重要。然而，目前的技術限制了神經科學家更好地理解大腦是怎樣工作的。

貝勒醫學院及其合作機構的科學家們於8月18日在《細胞》雜誌上報告了一種新的傳感器，可讓神經科學家在不丟失信號的情況下對大腦活動進行成像，並且比以前時間更長、更深入地進入大腦。這項工作為探索清醒、活躍的大腦是如何運作鋪平了道路，其中包括健康和患有神經系統疾病的狀態。

神經科學的重大發現

「不僅大腦的電活動非常快，並且涉及到在大腦計算中發揮不同作用的多種細胞類型」，貝勒大學神經學助理教授弗朗索瓦‧聖皮埃爾（François St-Pierre）博士說。「弄清楚如何無創傷地觀察活動中動物的單個神經元的毫秒級電活動向來是一項挑戰。能夠做到這一點就是神經成像學的聖杯。」

現有技術可以測量大腦中的電活動。 「例如，電極可以記錄非常快的活動，但無法分辨它正在探測的是什麼類型的神經細胞。」 聖皮埃爾說。

研究人員通常還會使用一類特殊的熒光蛋白，它們能對與電活動相關的鈣變化做出反應。可以使用雙光子顯微鏡跟蹤熒光的變化。 「這種傳感器非常適合確定哪些神經元處於活躍狀態，哪些沒有。但是它非常慢。它是在間接測量電壓變化，從而丟失了很多關鍵信號。」

聖皮埃爾及其同事們的目標是結合這些方法中的精華——來開發一種傳感器，用於監測特定類型細胞的活動，同時捕捉快速的大腦信號。 「我們通過稱為基因編碼電壓指示器或 GEVI 的新一代人工改造的熒光蛋白實現了這一目標。」他說。

新方法做出重大改進

新研究的共同第一作者們創建並使用了一個自動化系統，系統提供了一種更好、更有效的方法來設計和優化雙光子顯微鏡的熒光電壓指示器。

「使用這個系統，我們測試了數千種不同的熒光電壓指示器並確定了 JEDI-2P，它比舊版本指示器更快、更明亮、更靈敏、更耐光。」萊斯大學電氣與計算機工程專業的研究生劉說，他在聖皮埃爾實驗室工作。

「通過 JEDI-2P，我們解決了老方法的三個重要缺點。」研究者說， 「首先，它允許我們跟蹤活體動物的電活動長達 40 分鐘，而不是最多幾分鐘。其次，我們能夠以大約 1 毫秒的時間分辨率對電活動的尖峰進行成像。第三，我們可以對大腦深處的單個細胞進行成像，因為我們的指示器很亮，並且會在探測到大腦活動時產生強大信號。」

截止目前，研究人員僅限於觀察大腦表面，「但多數大腦活動顯然並不局限於大腦表面以下的50 微米以內」，聖皮埃爾說，「 我們的方法使研究人員首次能夠無創傷地監測大腦皮層之下的深層電壓信號。」

「2014 年，我在神經科學學會會議上就這種熒光電壓指示器的第一個版本發表了演講，人們都在翻白眼。他們認為，由於巨大的技術挑戰，在清醒的動物身上用熒光指標進行快速電壓成像是不可能的。」聖皮埃爾說。 「八年後，我們實現了這一目標。而且該指標仍有發展空間——它不會是最後一個 JEDI！」◇

【2022年08月22日訊】（記者李宛鴻編譯報導）來自美國路易斯安那州立大學的一個研究組，報告了他們首次發現一條促成阿茲海默症的途徑，同時提出一個簡單的方法，能夠防止這一途徑的形成。

由趙玉海博士（Yuhai Zhao，音譯）和盧基博士（Walter J Lukiw，音譯）帶領的研究者們發現證據顯示，源自人體胃腸道中格蘭陰性菌鬆脆桿菌的一種分子，含有非常強效的由微生物產生的神經毒素，並可產生另一種名為BF-LPS的神經毒素。
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研究人員並詳細說明了BF-LPS從腸道至大腦的路徑，以及其到達大腦後的作用機制。BF-LPS從胃腸道滲出後，經由循環系統通過腦血管障壁， 接著進入腦室。之後它開始增加腦細胞中的發炎反應，並抑制神經元絲輕鏈——一種支撐細胞完整性的蛋白質。通過觀察受阿茲海默症影響的神經元，可發現這種蛋白質的短缺將導致進行性神經元萎縮，並最終造成細胞死亡。研究人員也提出，適當的膳食纖維攝取，能夠阻止這一過程的進行。

這種最新描述的病理途徑，其新穎的特徵有三部分。首先，這條促成阿茲海默症的途徑，是從體內開始的，就在腸道微生物組中，因此可說是「來自本地」，並且在人的一生中都相當活躍。其二，這種極強效的神經毒素BF-LPS，是胃腸道微生物新陳代謝的天然副產物。其三，神經毒素BF-LPS的來源，即腸道微生物組中鬆脆桿菌的丰度，可藉由膳食纖維攝取量進行調節。

「也就是說，以飲食為基礎的方式來平衡腸道微生物組中的各種微生物，這或許是相當吸引人的方法，它能調整與阿茲海默症相關的腸道毒性微生物的丰度、形成過程及其複雜程度，還能調節具有高神經毒性的微生物分泌物的病理排放過程，而這些分泌物就包含BF-LPS與其它類型的脂多糖。」盧基解釋道。

研究人員得出結論，對於腸道與中樞神經系統軸、腸道微生物組和阿茲海默症之間交互作用的深入了解，或許能夠在阿茲海默症的臨床診治，及其它致命的、進行性、與年齡相關的神經退化性疾病上，有相當可觀的空間去引導研究者發現新的診斷和治療策略。

據估計，美國人平均一天攝入纖維量為10到15公克。而美國農業部建議年齡低於50歲者，女性一天應攝取25公克的膳食纖維，男性為38公克。而超過50歲的女性和男性一天則應分別攝取21公克及30公克的膳食纖維。

據美國國家衛生院，失智患者最常被診斷為阿茲海默症，且阿茲海默症同時也位居美國人主要死因的第六位。專家估計，超過65歲的美國人中，有高達580萬人患有阿茲海默症，而其在美國的盛行率也預計將在2050年增加到1380萬。

該研究成果6月24日發表於《神經學前沿》（Frontiers in Neurology）期刊。◇