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大腦如何控制動物行為?-基因與神經網路的可塑性

 
 
探索大腦是二十一世紀極為重要的課題,除了滿足人類了解自我的好奇心外,也要從中尋找提昇腦力、開發大腦潛能以及治療腦疾病的方針。然而,破解大腦運作的奧秘亦是一項極為龐大而艱鉅的工程,因為人腦大約有1,000億個神經細胞,而每一個神經細胞又與數百甚或數千個鄰近的神經細胞交互連結,形成緻密而複雜的神經迴路,要解析這些神經迴路所控制的行為與功能非常不易;因此,科學家必須先透過較為簡單的模式生物來尋找線索。

近幾年來,果蠅儼然成為探索大腦叢林的先鋒部隊,在靈活而犀利的基因操控下,科學家正如火如荼地研究和五官感覺、食慾、求偶、恐懼、睡眠等基本行為以及和學習、記憶等高階行為有關的基因表現與神經網路。本演講將告訴大家最近在果蠅腦研究上的一些有趣發現,包括:二氧化碳如何引起果蠅的恐懼與逃避行為、果蠅的求偶行為、以及氣味與電擊如何引導果蠅學習並產生記憶。這些行為背後所涉及的基因運作與神經網路的細微改變(可塑性)是目前神經科學家積極想要了解的面向。

鼻子聞到的氣味、眼睛看見的事物、舌頭嘗到的滋味,這些全由神經系統輸進大腦,大腦偵測資訊後作出判斷,再由肌肉執行適當的行為反應,一旦基因表達失常或者神經網路連接錯誤,生物就會產生異常行為。人類一直想要理解基因與行為的關係,但面對微小且複雜的腦神經網路,卻是極艱難的科學挑戰。

由國科會、聯合報、公共電視、科學人雜誌與News98合辦,臺灣大學物理系及天文物理研究所承辦「2008展望春季系列演講:生命及其演化-是『天擇』還是『人擇』?」第四場演講「大腦如何控制動物行為?-基因與神經網路的可塑性」,邀請清華大學腦科學研究中心主任暨生物科技研究所所長江安世主講,帶領大家破解生物基因密碼與行為關係的奧秘。

果蠅像人類 會恐懼有記憶

江安世表示,上個世紀末科學領域中二個最重要的研究是「基因解碼」與「腦的認知與行為」。現今已經完成人類及許多生物的基因序列解碼的工作,但仍在探詢基因是如何在腦神經網路中表達,並且促使神經細胞發展出控制人體行為反應的功能。

於是,江安世與研究團隊運用「果蠅」來尋找控制人類行為的基因密碼。果蠅雖然形態完全不同於人類,卻有相似的生存的基本行為,有味覺、聽覺、視覺、痛覺、嗅覺、學習和記憶等認知及行為,甚至也有恐懼、攻擊與同性戀行為。

江安世在清大生科館的蟲房內,有成千上萬根試管養滿果蠅,這些果蠅都「不太正常」,有的患有失眠、躁鬱、阿茲海默症(俗稱老年痴呆症)或是暴食。原來江安世把他們的基因動了手腳,藉以觀察生物行為現象,用以解決人類因為基因缺陷所導致的行為問題。

「為什麼有的人愛打架?」為了發掘生物的打架基因,研究團隊利用單一基因受到化學藥物破壞的果蠅,逐一進行各樣測試。研究發現,公果蠅會為了爭奪食物、地域、或與母果蠅的交配權大打出手,激烈時甚至會站著幹架。而母果蠅也會「girl's fight」,用抓、推或滾的,但就是不會激烈到站起來出手。江安世解釋,果蠅約有十三萬五千個基因,有些特定基因被破壞的果蠅,可能會喪失打架能力,或變得更好鬥。

公果蠅天生會振翅追逐處女母果蠅,但改變果蠅的無果基因(fruitless)後,公果蠅就會「轉性」,變得也會追逐同性果蠅,被改變無果基因的母果蠅也會變成「蕾絲邊」。江安世解釋,「經常只要改變一個關鍵基因,就足以完全改變生物行為」。

特定神經細胞 控制性傾向

「到底是哪一些神經細胞在腦內控制性傾向?」江安世說:「科學家即將解答這個問題,這幾個在果蠅表達無果基因的特定腦神經細胞,將是科學上明瞭人類性傾向的重要里程碑。」

了解果蠅愛打架或有同性戀傾向,都是基因決定的行為。接著江安世跟清大博士研究生吳嘉霖一起利用改良式的「自動果蠅學習訓練機」,開始測試基因突變,如何影響果蠅的學習與記憶。

他們設計一種行為,讓果蠅學習將特定的味道與受到電擊處罰的事件關聯,並設法測試基因受損的果蠅是否還能記憶,生物學家用這樣的方法就可以找到果蠅的學習和記憶基因。配合腦神經網路圖譜,功能造影的技術將能轉換到對人類研究。

堅持生命科學 須一步步來

很多人看到江安世的研究成果,建議他應該趕緊投入人類疾病與醫學研究,這時候江安世嚴謹地科學精神就會跑出來,他很堅持生技產業和生命科學必須完全按部就班地一步一步來。江安世說:「沒有根基的科學會變成玄學。」

即使研究成果已受到世界矚目,但江安世仍然帶領團隊,持續地在國家高速電腦中心裡建置腦部3-D立體顯影資料庫,預期必須花費10年以上的的時間,才可能慢慢視覺化呈現腦部基因表現及完成腦神經網路圖譜,並逐步解開腦部奧秘。

建構3D顯影 重複20萬次

見過展示部分3D立體顯影的人幾乎都會忍不住驚呼「好厲害。」卻不知一張張拼湊全景的局部,「需要重複20萬次才得以慢慢建構完成。」江安世說「不斷地重複,感覺好像有些愚蠢,但這卻是很重要的過程。」

江安世說,人類現今已能找到基因,下一步的科學目標是找到神經網路的運作機制,唯有將二者一起討論,才能知道大腦究竟如何工作。人的行為來自先天、後天和意識。江安世肯定地說,「後天的學習,還是可以改變先天的律法。」他指出,後天的學習刺激,力量劇烈地足以使得神經重新連結。只要懂得訓練自己的心思意志,「你可以決定自己腦袋的樣子。」道理就如同是運動健身一樣。

【2008-04-22/聯合報/C4版/2008展望春季系列】

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