一切從莊子說起

惠子曰:「子非魚,安知魚之樂 ? 」莊子曰 :「子非我,安知我不知魚之樂 ? 」—節自莊子〈秋水〉

當年莊子與惠子在濠梁辯論如何知道在水中游的魚快不快樂,這場有名的辯論雖然被歸為哲學 「他心問題 」的討論,但事實上卻是涉及大腦的認知問題及個體差異。經由這個論辯我們可以延伸出一個例子:當面對同一顆蘋果,我們也無從得知自己聞到的蘋果味道是否與旁人聞到的完全一樣;這個味道帶給我們的情緒連結(食物?愉悅?)是否也和別人認知的一樣。事實上,雖然每個人的大腦都經由相同的發育程序而架構、成熟,但當面對相同的環境刺激,每個人接收訊息的程度並不會完全相同,而這種差異最終會反映在我們對周遭環境的判讀及行為反應。也就是說,這樣的個體認知差異,無時無刻影響著我們如何判讀週遭的人、事、物(善意?惡意?有益?有害?),以及用何種方式因應、溝通。所以經由瞭解這種個體差異(更準確的說法是神經差異性 (Neuronal variability) )的形成及其對大腦神經迴路的動態變化、以至於個體行為的影響, 也許可以幫助我們了解一些神經及精神疾病(如知覺失調症、 創傷後壓力症候群及癲癇)部分病徵的病理機轉。

 

什麼是神經迴路?為什麼是果蠅?

人及其他大部份動物都有五感:視覺,聽覺,嗅覺,味覺,觸覺(及本體感覺),這五種感知會以神經訊息的形式傳遞到大腦中,在腦內進一步整合,而成為我們對外在環境及我們對自身的認知。這些過程都是經由感覺神經來幫助我們偵測外在環境的變化,並且將這種變化轉換成神經訊號,再經由神經迴路傳遞到大腦,經過一連串的訊息整合,進而做出決策(認知),並執行指令(動作,行為)。所以我們大腦中有各式各樣負責不同感知的神經迴路,它們就像我們手機晶片上不同的線路、迴圈,最後可以讓我們執行各式各樣的指令及動作。
以果蠅作為神經研究的模式生物已有將近一百年的歷史,目前我們對於這個物種已具備非常深厚的知識基礎而且也累積了相當先進的研究工具及技術。果蠅的大腦結構與人有點類似,一樣具有各式各樣處理不同訊息的腦區,但相對於哺乳類動物,果蠅的大腦及神經系統就顯得簡化許多。舉例來說,果蠅的嗅覺神經系統相較於哺乳類動物簡單,但卻一樣具有類似人類嗅球的腦區及其他與學習及記憶有關的高等腦區,這使得果蠅可以利用與哺乳動物相似的嗅覺神經系統來分辨環境中的氣味分子,如其天敵、食物、配偶的氣味,以決定下一刻要作何反應。得天獨厚的一點是,近年的研究發現果蠅嗅覺神經系統的區域中介神經元具有高度的神經差異性,所以利用果蠅的嗅覺神經迴路來探討神經差異性的起源及其分子機制,是一個絕佳的切入點。

 

不知生焉知「變」?

事實上,果蠅嗅覺神經系統的區域中介神經元是現今少數已知可以用來研究神經差異性的動物模式。但是這些中介神經元也同時具備相當複雜的多樣性(neuronal diversity),也就是說,這群神經元具有多種不同的型態、特質及功能。這使得我們在進行神經差異性的研究上面臨嚴峻的考驗:我們無法確認所觀測到的神經細胞差異是來自神經差異性或神經多樣性所造成的結果。

為了解決這個難題,我們決定先釐清這些區域中介神經元如何在發育過程中建立起它們的不同型態(多樣性),並嵌入嗅覺神經迴路。 一旦對其多樣性有了通盤的暸解,我們便可區分神經差異性,並進一步深入研究。我們首先對果蠅進行大規模的遺傳篩選,標定出特定神經細胞,再觀察其從幼蟲到成蟲的發育情形,經由有系統地分析被標定的區域中介神經元在大腦發育過程中出現的時間、型態、及發育的情形,我們發現不同的區域中介神經元會經由三個階段陸續嵌入發育中的神經迴路,因而建立了果蠅區域中介神經元多樣性的發育圖譜(圖一)以及一套新的基因篩選平台。如此一來,我們便可以以此圖譜及平台為基礎,開始研究果蠅多樣性的成因及結果,日後的研究就可以此為基礎,以明確判別神經多樣性及差異性。

 

 

(圖一)果蠅嗅覺區域中介神經元多樣性的建立。

(上圖)在發育過程中,不同類型的嗅覺區域中介神經元會經由不同的方式逐漸長成其日後在成蠅腦中的型態。圖中不同顏色的中介神經細胞代表不同的種類,而每 一個特定顏色所標定的一組中介神經元則呈現此類中介神經元如何在不同發育階段逐漸建立其型態上的多樣性。(下圖)果蠅嗅覺區域中介神經元的發育圖譜 。成蠅腦中的嗅覺區域中介神經元是在蛹期經由三個階段分批嵌入嗅覺神經迴路:第一階段為重塑之後的幼蟲區域中介神經元;第二階段為第一批成蠅特有的區域中介神經元;第三階段為第二批成蠅特有的區域中介神經元。每一批中介神經元各具有相當多不同的型態及種類,最後即形成我們在成蠅腦中觀察到的多樣性。

 

 

意外的發現:基因篩選平台尋找神經細胞生死機制

動物的腦與神經是一個複雜的系統,而我們對其了解仍十分有限。例如,在治療帕金森氏症等神經退化疾病時,往往因無法有效地阻止死亡訊號在神經細胞間傳遞,大量細胞死亡的情況因此不斷蔓延擴張,導致疾病惡化。

在觀察果蠅區域中介神經元發育的過程中,我們意外發現當果蠅幼蟲的一小群神經細胞接受某種訊號而快速凋亡時,周圍有另一群神經細胞雖接收同樣的訊號,卻不受其影響而持續發育為成蟲大腦神經迴路的一部分(圖一下圖)。這表示大腦確實存在一套停損保護機制,防止神經細胞進行非計畫性的死亡。因此幼蟲的嗅覺區域中介神經元及上述我們建置的基因篩選平台提供了一個有潛力的動物模式以研究在發育中神經細胞死亡是如何被精準地調控,以及其周圍的神經細胞受到什麼保護機制而得以繼續正常發育。只要找到參與這個保護機制的關鍵分子,便能以其為標的開發新藥,日後如果可以在病人腦中啟動這樣的保護機制,也許有希望控制或延緩神經退化疾病病人腦中大量的神經細胞死亡,進而控制疾病的損害區域。

 

神經迴路的動態變化及個體行為差異:果蠅嗅覺跑步機

為什麼我們要花費這麼大的功夫來研究神經細胞及神經迴路的差異性?基於我們多年來對於神經差異性的研究,我們認為大腦中神經迴路的連結是處於一個動態變化;而這樣的動態變化即成就了我們無時無刻的認知。為了釐清這個可能性,我們決定著手建立一套果蠅的嗅覺跑步機(圖二)。我們給果蠅不同濃度及不同特質的味道,並即時地調控不同種類的嗅覺區域中介神經元的活性。同時,我們即時觀測及紀錄果蠅如何在跑步機上“動作”,進而拆解它對此味道的行為反應(它察覺了什麼?它在想什麼?它決定怎麼做?)。最後我們再檢測這隻果蠅腦中的嗅覺區域中介神經元的差異性。如此,我們便可以拆解嗅覺區域中介神經元的差異性如何造成嗅覺神經迴路的動態變化,而使得果蠅有不同的認知及行為反應。

 

(圖二)果蠅的嗅覺跑步機。
(左圖)果蠅嗅覺跑步機的主要部分。(右圖)為左圖中方框部分的放大圖,可見一隻果蠅正在懸浮的球上跑步。

 

經過多年來的努力,我們已經建立了果蠅嗅覺中介神經元的發育圖譜,初步瞭解其多樣性的建立,並完成了果蠅嗅覺跑步機。希望在不久的將來,我們可以將果蠅嗅覺跑步機推展至果蠅嗅覺虛擬實境系統,並可以具體說明神經細胞的差異性如何影響神經迴路的動態變化,進而成就了大腦中的「實境」。這樣的結果,除了有望提供更強大的虛擬實境系統的發展,我們更希望其可以幫助我們暸解幻覺及實境如何在我們的大腦成型,以幫助我們了解一些知覺失調患者為何無法分辨幻覺及現實。

 

深入閱讀:

1. Chou, Y.H., Spletter, M.L., Yaksi, E. , Leong, J.C.S., Wilson, R.I. and Luo, L. (2010) Diversity and wiring variability of olfactory local interneurons in the Drosophila antennal lobe.      Nature Neuroscience 13, 439-449.
2. Liou, N.F., Lin, S.H., Chen, Y.J., Tsai, K.T., Yang, C.J., Lin, T.Y., Wu, T.H., Lin, H.J., Chen, Y.T., Gohl, D.M., Silies, M., Chou, Y.H. (2018) Diverse populations of local interneurons
integrate into the Drosophila adult olfactory circuit. Nature Communications 9, 2232.
3. Tsai, K.T., Chou, Y.H. (2019) Random walk revisited: quantification and comparative analysis of Drosophila walking trajectories. iScience (in press).

 

致謝:
作者感謝蔡國鼎博士及周星賢醫師閱稿並提供寶貴的建議。