(左至右:本院分生所林書葦助研究員、第一作者芭雅希、本院分生所曹昌暉博士;手持瓶子為實驗室裡飼養的果蠅設備)

是誰操控你飢渴的慾望?本院分子生物研究所林書葦助研究員與本院國際研究生學程博士生芭雅希(Bhagyashree Senapati)組成的跨國團隊,解密果蠅腦中的神經迴路,首次發現一種名為leucokinin的神經傳導物質,透過調控不同的腦神經元,影響果蠅進行覓水或覓食行為,解開了渴、餓訊號在腦中相互作用的神經機轉,有助於了解更複雜的人腦。此研究成果已於今(108)年12月發表在《自然: 神經科學》(Nature Neuroscience)。

林書葦表示,當人們口渴與肚子餓的時候,腦中會產生一種無形的驅力,讓我們想喝水或吃東西,心理學上稱這樣的內在驅力為「動機」。果蠅和人一樣,行為受到渴和餓的調控,果蠅只有在渴的時候會去尋找水源,只有在餓的時候對食物有反應。動機系統在腦迴路中究竟是以什麼樣的形式存在、如何控制我們的行為、影響我們對外界刺激的反應,迄今仍是未解之謎,必須先找出與動機系統有關的神經元及腦迴路。

研究團隊發現,果蠅大腦裡的LHLK神經細胞釋放的leucokinin[1],同時是渴與餓的訊號。當果蠅口渴時,由於渴神經元[2]( PPL1-γ2α′1、PAM-β′2a)屬於抑制性的神經細胞,像一道關閉的門,會抑制覓水行為,但leucokinin能抑制它們的活性,產生負負得正效果,打開通道,促使果蠅追尋與水有關的氣味。

當果蠅飢餓的時候,leucokinin也會被釋放,此時則是活化另一群餓神經元 [3](PAM-β′2mp),驅動果蠅進行覓食行為,尋找與食物有關的氣味。為什麼餓的果蠅不會去找水喝?因為大腦會釋放另外兩種神經傳導物質-血清素(serotonin) 和dNPF,作用是抵銷leucokinin對渴神經元的抑制,致使渴神經元持續抑制覓水行為。

林書葦指出,本次研究破解了果蠅大腦渴、餓神經細胞的神經迴路與交互作用,也代表口渴與飢餓的動機並非單純有一群神經細胞負責渴訊號,另一群神經細胞負責餓訊號;而是透過多種神經傳導物質的合作、競爭,去調控不同的腦神經元,使得覓水行為只在渴的時候出現,而不會在飢餓的時候產生,使果蠅能夠依據生理需求做出正確的覓食抉擇。

▲渴與餓會促使LHLK神經元釋放神經傳導物質leucokinin:當渴的時候,leucokinin在果蠅腦內傳播渴訊息,藉由抑制兩群特定的渴神經元 (PAM-β′2a、PPL1-γ2α′1),促使果蠅覓水;另外leucokinin也在飢餓時,透過活化餓神經元(PAM-β′2mp),驅動果蠅覓食。同時,飢餓會促進dNPF和serotonin的釋放,以抵銷leucokinin對渴神經元的抑制,讓覓水行為不會在飢餓時產生。

然而,為什麼渴的果蠅不會去找食物?除了leucokinin之外,是否還有其他的渴、餓訊號去調控?研究團隊將持續破解大腦的神經迴路機制。林書葦表示,人類許多神經疾病,如憂鬱症、厭食症、成癮症等,都和腦內的動機系統有關。相較於人腦有1000億顆神經細胞,果蠅的大腦只有10萬個神經細胞,功能卻一應俱全。本研究利用果蠅探討渴、餓訊號在腦迴路中的運作,盼找出果蠅大腦中與動機有關的神經迴路機制與神經傳導物質,有助於了解更複雜的人腦,為相關疾病找出成因及可能的治療方式。

研究團隊包括第一作者芭雅希、本院分生所曹昌暉、阮奕安、林書葦、長庚大學生醫所邱泰翔、吳嘉霖;英國牛津大學Scott Waddell。論文標題為< A neural mechanism for deprivation state-specific expression of relevant memories in Drosophila>,全文請見:https://www.nature.com/articles/s41593-019-0515-z

▲果蠅腦中的渴迴路。當果蠅口渴的時候,LHLK神經元(綠色)會釋放leucokinin,抑制PPL1-γ2α′1(洋紅色)和PAM-β′2a(橘黃色)神經元,讓果蠅產生覓水行為。

▲果蠅腦中的餓迴路。當果蠅飢餓的時候,LHLK神經元(綠色)會釋放leucokinin,活化PAM-β′2mp(紅色)神經元,讓果蠅產生覓食行為。

 

(分子生物研究所、秘書處)