【把大腦變透明】 讓大腦變透明極其困難，即使是數十億年的演化對生物的塑造力，也沒有辦法在大型動物身上做到。想當然，透明可以提供物種巨大的生存優勢，有些物種也已演化出某種程度的透明度來適應環境（例如躲避掠食），某些魚類甚至缺少紅血球，也就是不像大多數脊椎動物那樣擁有血液，以此讓自己在環境中能稍微隱形。然而，即使這些生物面臨強大的演化壓力，牠們似乎也無法讓自己的中樞神經系統變成透明。在半透明的魚或蝦身上，神經系統仍然有某些部份不透明，演化最多只能放棄紅血球，似乎無法讓光線自由穿透活生生的大腦。
這種不透明的特質，來自於光線在神經組織中的散射。光子在脂質和水的交界處會反彈（因為光在兩種介質中的行進速率不同），這個現象無法輕易透過工程或自然演化的方式去除。組成細胞膜和腦內部結構的脂質障壁，也扮演絕緣的角色，讓負責傳遞電脈衝的離子能夠更快速在精密交錯的軸突間移動。諷刺的是，生物學家最需要維持其完整性以探索運作機制的器官，正好也是最難透明化的器官。
2009年，我開始著手研究這項未決的艱難挑戰，試圖把一顆完整的成年哺乳類大腦變透明、並且能仔細標記各種分子。當時全世界數百間實驗室都已經在應用一項由我與同事於2004~2009年發展出來的一項技術：光學遺傳學（optogenetics）技術。這項技術利用光來啟動或關閉特定神經網路，它結合了雷射、光纖以及一些與感光蛋白質有關的基因（來自藻類與細菌的微生物視蛋白），並可在動物奔跑、跳躍、游泳、社交以及進行複雜行為時，精確操控大腦中特定神經元的活動。
2009年夏天，也就是我們於2004年7月首度在神經元中進行微生物視蛋白實驗的五年之後，光學遺傳學技術面臨的關鍵挑戰大部份都已經解決了，因此受到學術界相關實驗室廣泛的應用。然而，在應用上雖然已經發現了成千上萬種行為背後的神經機制，卻無法提供一種特定的資訊：一幅可以幫助我們洞悉單一細胞利用光控制後、如何在整顆大腦中穿梭旅行的高解析度圖像。
從單一基本部件去釐清一個系統的整體樣貌，一直是許多研究領域的共同夢想，但是這個目標常會因為許多困難被犧牲。把單一部件從複雜系統中切割出來進行分離研究，一直是科學中很重要的一環，因為這可以讓我們找出其中哪些要素是內在固有、不必依賴其他要素就可以運作的。但是對於內部高度連結的系統，例如大腦，想要把系統切割出來分離研究，就好比把一幅掛毯上的紗線全部拆開，這種做法並不是觀察與探討神經線路整體樣貌的最佳方式。
由於成年哺乳類大腦並不透明，為了看見並標記大腦內部構造，我們必須先解剖大腦，大腦的立體結構也因此被分割成數百或數千片近乎二維的解剖學切片。這個過程需耗費大量的時間與經費，特別是當我們需要用上許多顆大腦來進行統計推論的研究（研究哺乳類的行為常需如此）。此外，關鍵資訊的消失常是無法逆轉的，由於我們已經能夠透過光學遺傳學重新建構出完整大腦裡的許多功能，因此2009年我開始思索用什麼方式處理大腦標本以解決這個問題。
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說到遙控別的動物的行為，想知道〈誰在操控蟑螂殭屍？〉，答案不是科學家，請看2016年11月號《科學人》雜誌。
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目錄
關於封面
「組織透明化」這種新技術把水膠注入大腦，黏合並保護腦中負責傳遞訊息的關鍵分子結構，移除會使光線散射的脂質，讓科學家得以突破障礙，觀看大腦內部的完整結構，檢視特定神經網路中的神經纖維連結。
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