從果蠅之小 見生命之大

清華大學教授江安世的團隊對果蠅嗅覺腦圖譜的研究結果,發表於頂級生命科學期刊《細胞》上,除了描繪果蠅的神經系統,這項成就有著更深遠的意義:揭開人類大腦的秘密。

撰文/龐中培

家中的垃圾如果幾天沒處理,就可以發現?#92;多芝麻大的小昆蟲在垃圾邊環繞飛舞,這些惱人的小昆蟲,十之八九是果蠅,牠們平常隱而不現,但只要垃圾飄出異味,往往就能聞「香」而至,一如人類聞香下馬。「聞香下馬」這四個字看似簡單,不過整個過程牽涉到?#92;多交互作用:千千萬萬的氣味分子與嗅覺器官上的受體(蛋白質)結合後,產生的訊息傳遞到腦、腦解析這些訊息的意義後做出適當的反應,其中關係到複雜的神經網絡,以及訊息傳遞的路徑與組合方式。

2004年,艾克塞(Richard Axel)與巴克(Linda B. Buck)即以嗅覺受體基因的研究獲頒諾貝爾生醫獎。不過艾克塞與巴克所發現的是細胞上與氣味分子結合的受體,至於這些受體與氣味分子結合後產生什麼變化與刺激?相關的訊息經由哪些神經元傳遞?都有待釐清。至於神經系統更高層次的活動,例如訊息在神經系統的呈現方式、如何建立或喚起記憶及產生反應等,也都還不清楚。因此艾克塞與巴克的研究,只是釐清嗅覺產生的第一步而已。

今年3月23日,著名的生命科學期刊《細胞》(Cell)刊載了由新竹清華大學生物科技研究所江安世所率領團隊的研究成果。他們以果蠅為研究對象,揭開了嗅覺訊息在腦中傳遞的部份圖譜。《細胞》刊載論文被引用的次數,可與著名的科學期刊《自然》(Nature)與《科學》(Science)比肩。國內科學團隊獨立研究的成果,於《自然》與《科學》上發表過的不在
少數;但是在《細胞》上發表,是江安世團隊拔得頭籌。

從技術出發,繪製果蠅神經圖譜

雖然人類腦中的訊息處理與傳遞,最令科學家著迷,不過由於人腦中大約有1000億個神經元、人類的生命相對而言比較長、又不可能任意操弄人體內的基因,因此?#92;多神經科學的研究,只能以其他動物為對象,例如小鼠、斑馬魚和果蠅等模式動物。果蠅的腦大約只有13萬5000個神經元,也能夠展現記憶、學習等較複雜的行為,因此最受到青睞,成為研究神經科學的重要對象。此外,果蠅的所有基因都已經定出序列、生命週期又短(大約60天),也使得研究容易進行。

之前果蠅嗅覺傳遞的神經圖譜研究,只從氣味受體到神經處理單位嗅覺小球,再往上的蕈狀體則受限於技術,圖譜尚不清楚。江安世的研究,則補足了這一塊空缺,讓嗅覺訊息傳遞的圖譜拓得更寬遠、刻畫得更細緻。

「工欲善其事,必先利其器」,在科學研究上也是如此。生命科學的進步,往往受到科技發展的推動,例如在電子顯微鏡技術成熟之後,人類才有工具在手,能夠剖析細胞中各種胞器的細微構造,同時看到濾過性病毒的樣貌。而DNA定序技術的發展與精進,讓我們能夠快速且大量的定出?#92;多物種的基因組序列,對於基因的?#92;能與演化,能展開深入而且廣泛的研究。江安世能夠率先得出果蠅腦中嗅覺的圖譜,其優勢是利用自行研發出的FocusClearTM溶液來處理組織樣本,使樣本變得透明,而有利於觀察;同時利用特殊的遺傳工程技術,讓果蠅腦中特定且單一神經元能呈現出螢光顏色;並利用共軛焦顯微鏡,將神經元的三維空間結構顯示出來。

雖然蕈狀體只佔了整個果蠅腦的一小部份,而江安世研究的也只是其中部份細胞,其他各種感覺,諸如聽覺、味覺與視覺的處理、調節與輸出神經圖譜,都還付之闕如。不過,江安世團隊發展出的技術,既然能夠繪製出果蠅的嗅覺圖譜,當然也可以繪製出其他感覺、甚至更高處理層次單元的圖譜,發展潛力無窮。
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