大腦如何操控渴與餓的行動？小小果蠅來解密！

破解渴與餓的神經機制

我們的動機是如何形成的？大腦如何操縱飢渴的行動？中研院分子生物研究所林書葦助研究員帶領研究團隊，發現果蠅腦中有一種名為 leucokinin 的神經傳導物質，它能調控不同的神經細胞，影響果蠅進行覓水或覓食的行為，更發現渴、餓的神經機制在果蠅腦中會交互作用，研究成果已於 2019 年 10 月登上《自然：神經科學》(Nature Neuroscience)，跟著研之有物一起來了解。

看似「頭腦簡單」的小小果蠅，竟是揭開大腦電路的關鍵生物。圖片來源│iSock

為什麼要研究果蠅大腦？

「果蠅大腦雖然簡單，卻可以解決重大的問題。」林書葦一語道破。如果不是果蠅大腦，我們對於複雜的人類大腦將更加束手無策！

果蠅大腦只有 10 萬顆神經細胞，人類大腦有 1000 億顆神經細胞，宛如早期的 286 電腦對上如今的超級電腦。但果蠅的腦雖然簡單，功能卻一應俱全，有各種感覺，也能學習與記憶。如果能找出果蠅大腦的各類運作機制，將有助於了解其他更複雜的動物腦，甚至人腦。2017 年的諾貝爾生理醫學獎，即是頒給三位研究果蠅生理時鐘的科學家。

林書葦研究團隊此次的發現，則是揭開果蠅大腦關於「動機」的秘密：渴和餓的神經迴路。

「動機是種內在的驅力，影響我們的行動、感受、做決定的過程，還有學習和記憶，也與憂鬱症、厭食症、成癮症相關。」林書葦解釋：「餓與渴，即是非常基本且普遍的動機。我們想知道果蠅怎麼知道自己渴了、餓了？又是哪些神經細胞負責操控找水、覓食等行為。」

訓練果蠅大作戰

實驗目標很明確，但一開始，研究員得先訓練果蠅學會按照特定訊號找水、覓食，建立行為系統，才能觀察過程中的大腦變化。

幫果蠅「上課」，聽起來簡直匪夷所思，怎麼辦到的？研究員運用一種 T 字狀迷宮「T-maze」，先讓果蠅渴八個小時，然後進入 T-maze ，通入氣味 A、不給水，接下來再通入氣味 B 、給水喝，訓練果蠅將氣味 B 與水連結起來，產生與水有關的嗅覺記憶。

研究員運用一種 T 字狀迷宮「T-maze」，先讓果蠅渴 8 個小時，然後進入 T-maze ，通入氣味 A、不給水 (放置乾燥的濾紙)，持續 2 分鐘。間隔 1 分鐘後，再通入氣味 B 、給水喝 (放置潮濕的濾紙)，持續 2 分鐘，訓練果蠅將氣味 B 與水連結起來，訓練就完成了。訓練完成 6 小時之後，將渴的果蠅放入 T-maze，大多數乖乖進入 B 氣味通道。資料來源│林書葦圖說設計│黃曉君、林洵安

但實驗沒多久，研究團隊即發現果蠅只會產生短期記憶，訓練完半小時就統統忘個乾淨。他們不斷思考改進並反覆測試：如何延長果蠅的記憶？

後來發現，適合學習與記憶訓練的果蠅必須滿足一些條件。一般果蠅壽命約一到兩個月，年紀太輕的果蠅大腦尚未發育成熟，年紀大的果蠅學習與記憶力跟人類一樣會降低，所以必須挑選出生 5~7 天的「不太小不太老」的果蠅做實驗。

花了快半年時間，研究團隊又發現「讓果蠅渴得剛剛好」這件事很重要。早期他們讓果蠅渴大約 16 個小時，結果果蠅學習力很差，研究團隊猜測，長時間的缺水，可能讓果蠅身體變得太虛弱，大腦功能降低。後來他們嘗試放入乾燥劑，讓果蠅更快感覺渴，但身體狀態較好，果真產生比較穩定的長期記憶。

歷時半年多，終於訓練成功！以口渴的果蠅為例，訓練完成 6 小時 (以上) 之後，再將牠們放入 T-maze，大多數會乖乖進入 B 氣味通道，而且果蠅只在渴的時候才會尋找 B 氣味。

接下來，研究員即可準備觀察在果蠅大腦中，哪些神經細胞和找水、覓食有關。簡言之，他們會分別抑制果蠅大腦中不同位置的神經細胞，觀察哪些神經細胞被抑制時，將影響果蠅找水、覓食的行為。