從結構到功能:果蠅腦神經逆向工程
從建立好的神經連結圖譜,可以進一步探討功能。果蠅腦像人腦一樣有不同腦區,研究者可以用光去抑制果蠅神經,或讓果蠅聞到某些氣味,導致果蠅做出某些動作,藉此可以了解資訊在果蠅腦中是如何流動的。又例如透過FlyCircuit的資料進行分析,研究者找到控制果蠅身體「轉向」的一群神經,也能夠模擬果蠅接受到光的視覺刺激後,身體會產轉向生的反應。
林沿妊解釋,雖然單是一個神經元的複雜度就很高,但現在對於單一神經元如何和其他神經連結的圖譜已經初步完成,清大江安世實驗室利用這個資料庫,已經更加了解果蠅腦中長期記憶的形成機制和位置,找出資訊如何從一個區域傳到下一個區域的路徑,實際上某些接收訊息的神經元也已經定位出來。
超級電腦的運用
從2004年開始,國家高速網路與計算中心(以下簡稱國網中心)與清大腦科學中心合作;2011年國網中心的計算設施進入世界百大排名,2017更建置完成台灣杉一號、台灣杉二號,後者是完全由台灣團隊打造的超級電腦,運算力名列全球前20強;它也是提供果蠅腦運算服務的主角。
例如為了瞭解各個神經受哪些基因控制,需要進行海量神經影像計算,比對9萬個神經元之間的交集、聯集,以找出另一基因影像資料庫和神經之間的關係。而透過這樣的研究,現在江安世實驗室已經可以操縱這些神經細胞的基因,控制果蠅的前進、後退等行為。
在其他的研究案例上,神經間的三維聯繫路徑資訊,可以幫助研究者尋找神經訊息傳遞的可能路徑。透過視覺化的軟體呈現神經末稍結構,也更能掌握神經訊號可經由一條神經末端出口,傳到下個神經的哪個入口,產生互動。
記憶在腦中的位置
回到人類的記憶,這些分散式儲存的相關神經在哪裡?如果把人腦比喻為宇宙,光是海馬迴,就有1千億個神經,像是銀河,神經之間對話溝通的突觸,就像100兆顆星星。尋找記憶就像探索星際旅途。而目前更有很多部分像黑洞,不為人所了解。
果蠅神經和記憶,除了某些基因與人類有共通之處,可以提供較直接的參考外,從微觀研究的逆向工程,也可作為我們研究複雜人腦的準備。全面了解靜態及動態的神經線路,是當今科學的挑戰。