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探索大腦新疆界

探索腦的運作,可以從巨觀結構著手,例如掃描大腦的活動;也可以從微觀構造著手,從腦神經的連結來了解記憶或行為,這是一種逆向工程,也就是拆解結構來還原及解析功能。林沿妊博士說明,在挑戰擁有860億個神經元的複雜人腦之前,13萬個神經元的果蠅腦是理想的模式生物。
 
 
 
探索腦的運作,可以從巨觀結構著手,例如掃描大腦的活動;也可以從微觀構造著手,從腦神經的連結來了解記憶或行為,這是一種逆向工程,也就是拆解結構來還原及解析功能。林沿妊博士說明,在挑戰擁有860億個神經元的複雜人腦之前,13萬個神經元的果蠅腦是理想的模式生物。

 

從結構到功能:果蠅腦神經逆向工程

 
逆向工程的第一步,是取得腦神經結構。方法是先把果蠅腦變透明,用顯微鏡進行掃描,取得各別神經元的三維影像,再把這些神經元一條條放回腦中,建立標準模型。這些資料收集在「FlyCircuit」資料庫,在網路上開放全球研究者自由取用。清華大學江安世研究團隊重建的果蠅全腦連結體圖譜,已收集9萬個神經元,公佈了2萬8千多顆,這也是得到國際期刊及媒體報導的前瞻研究。
 

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

 
由於果蠅腦中約有1013突觸點,要計算它們彼此間的連接,就需要1026點的運算(相對來說,宇宙中「只有」1022顆星星),因此我們需要借助於超級電腦的運算能力。
 

從2004年開始,國家高速網路與計算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

 
動物腦的記憶處理和電腦有根本的不同,並不存在單一腦區中,而是記載於神經的線路裡,牽涉一群相互連接的神經,這是一種分散式儲存的方式。
 

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。

 
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神經元(17)果蠅腦(1)
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