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果蠅嗅覺圖譜全球首度亮相

98/01/06 20382

蔡永彬｜臺灣大學新聞研究所

「大腦究竟是怎麼工作的？」生物學家們一直在追求這個問題的答案。清華大學生物科技研究所江安世教授的研究團隊，成功地描繪出全世界第1張果蠅的嗅覺「神經地圖」，除了在國際知名期刊《細胞雜誌》（Cell）上刊登外，也獲得行政院 96 年傑出科技貢獻獎的殊榮。

破解果蠅嗅覺圖譜

1991 年，美國哥倫比亞大學艾克索（Richard Axel）教授和西雅圖佛瑞哈金森癌症研究中心巴克（Linda B. Buck）博士證明果蠅嗅覺傳遞的第１階層，是透過鼻子嗅覺細胞接觸到氣味分子，經神經傳送到大腦特定接受器，他們以此獲得 2004 年諾貝爾生理醫學獎。十幾年來，許多科學家都研究出果蠅腦神經會把嗅覺傳送到第２階層，位於鼻子後面的「嗅小球」。但是，嗅小球如何把信號傳遞到第３階層的「蕈狀體」（mushroom bodies，相當於電腦的中央處理器 CPU），過去沒人知道。

江安世教授的研究團隊經過 5 年的實驗觀察，利用高解析度影像科技繪製出嗅小球經由投射神經樹突接收信號，經軸突投射到蕈狀體的 17 個不同接收區域。再依蕈狀體樹突分析，分辨出各種味道的網路神經地圖。他們破解了第２層、第３層的機制，發現果蠅嗅覺第２、２層的神經元傳遞不同於第１層，會重新轉譯、解碼訊息。江安世教授團隊把研究成果發表在 2007 年 3 月的 Cell，這是臺灣純本土研究第１次登上這本國際頂尖的學術期刊。

同年 11 月，江安世教授團隊又發現：果蠅的「中、短期記憶」和「長期記憶」儲存在大腦的不同區域。從果蠅的大腦裡，他們不僅證明了果蠅的中、短期記憶存在於「蕈狀體」，也再次發現了果蠅的長期記憶儲存在「中心體」。這篇論文發表在《自然–神經科學》（Nature Neuroscience）雜誌，轟動生物學界。

破解祕訣

江安世教授認為，破解果蠅嗅覺密碼的關鍵技術有二：一是他發明的「生物組織澄清技術」（FocusClear^TM），讓他們看得「更深」；二是利用 3D 影像軟體把不同部位的區域圖結合起來，讓他們看得「更廣」。

江安世教授進一步說明，首先他們把果蠅的大腦取出、固定，利用「生物組織澄清技術」加以處理，這讓果蠅腦部組織變透明了，更加容易觀測。接著再用「共軛焦雷射掃描顯微鏡」搭配 3D 影像處理，取得神經細胞及神經纖維圖像，得以確立果蠅嗅覺傳導的路徑。

他們發現在果蠅嗅覺傳導中，蕈狀體的神經傳導細胞的樹突，可以依其出生來源及發育次序分為 17 區。果蠅聞到不同氣味，嗅覺訊號就來自不同區域的神經纖維，之後可能到達不同的蕈狀體區域，並與不同功能的神經細胞形成突觸。

江安世教授依此結果推論：不同的氣味造成不同的嗅覺資訊，可能就經由蕈狀體內不同的區域先行分析處理，再向上傳遞到更高的神經中樞。他們結合優異的顯微成相技術，尤其是果蠅嗅覺神經網路的 3D 解剖構圖，來證明推論的成果，成功建立了果蠅嗅小球「投射神經元軸突」與蕈狀體「肯氏神經元樹突」間的特定連結網路，發現嗅覺資訊的處理具有特定模式與對應性。研究成果還獲得多所國外研究機構邀請合作。

從嗅覺到行為從果蠅到人類

人體大腦構造複雜，科學家們常使用構造較簡單的「果蠅」來進行先驅研究。江安世教授解釋，從果蠅推展到白老鼠，是千倍的複雜程度；從白老鼠到人，又是千倍的困難。

江安世教授表示，在生物體的感覺或行為中，相對來說，「嗅覺」較容易操控和理解。果蠅的嗅小球傳導機制和人類很接近，因此從這裡出發。他們已經在「果蠅嗅覺」上得到成果，未來會把「野心」拓展到各種感覺和表現，「果蠅怎麼聽到聲音？」「果蠅怎麼控制食欲？」「果蠅會害怕嗎？會痛嗎？」「果蠅也有同性戀？」都是他們希望能「一網打盡」的課題。

江安世教授自謙，他的研究只是建立果蠅腦神經網路圖譜的一小步。但這就像是之前「大腸桿菌基因組計畫」做為「人類基因組計畫」（Human Genome Project）的先導計畫一樣，「果蠅腦神經網路圖譜」的完成，意味著「人類腦神經網路圖譜」也將在不久後完成。目前清華大學「腦科學研究中心」的跨領域研究團隊，已經成功地發展出一系列的基因轉殖科技及生物影像自動化處理，依現有的發展速度，江安世教授預估「果蠅腦神經網路圖譜」應可在 10 年內建置完成。

2008 年 6 月底，江安世教授應邀到美國的伍茲－霍爾（Woods Hole）海洋生物實驗室、紐約冷泉港實驗室參訪、演講，講題就是「建構果蠅腦的神經網路圖譜」。發現 DNA 雙螺旋結構的 1962 年諾貝爾生理醫學獎得主華生（James D. Watson）教授，也出現在冷泉港實驗室的演講會場，會後他特別邀約江安世教授夫婦到家中餐敘，並高度讚賞江教授建構的果蠅腦神經網路圖譜與其投注的研究心力。

江安世教授說，華生教授告訴他這一生最看重的有 4 件事：解開 DNA 雙螺旋結構、發展冷泉港實驗室（世界頂尖的癌症與神經科學研究中心）、起始人類基因體計畫及破解大腦神經網路。前面 3 件事已分別於 1953、2000 及 2003 年完成或告一段落，而第４件事情是他現在殷切期待的。華生教授看到江安世教授已解開神經網路圖譜的雛型，他希望在有生之年能夠看到這個夢想成真。

「未來是『操控基因』的時代。」江安世教授認為，人類大腦可分為「硬體」和「軟體」兩個部分，硬體指的就是神經細胞之間的連結網路，軟體指的是細胞內基因的互動和電位訊號傳遞。軟、硬體同時作用，大腦才能影響身體，或是下各種指令。只要了解大腦圖譜，就能操控基因，甚至讓更多的感官彼此連結。

「你知不知道，現在科學家可以隨心所欲操控任意腦神經細胞的基因表現？」「基因轉殖的果蠅已能『看到味道』、『過目不忘』、『延長壽命』、『改變性向』。」對科學家而言，這樣的科技應用在人類身上，已經不是「會不會」的問題，而是「何時發生」。江安世教授興奮地說，當人們可以隨心所欲操控基因，就離「治療疾病」越來越近，阿茲海默氏症、帕金森氏症可能都會有治療的方法，新的生物科技對於醫療、法律、商業都會帶來新的衝擊和變革。

【「行政院96年傑出科技貢獻獎」得獎人江安世教授專訪】

資料來源

《科學發展》2009年1月，433期，59 ~ 61頁

果蠅(25) 科發月刊(5210)

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