【Gene 愛聊科學】蝙蝠和大鼠腦中的「好友追蹤器」

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Source: Nature

我們在趴趴走的時候,大腦如何知道我們身在何處呢?科學家早就在動物腦中發現了定位系統 ,能夠追踪自身在空間中的位置。可是要和其他伙伴互動,例如一起工作、玩耍、胡搞瞎搞,也要能監測其他動物的位置,最近科學家在蝙蝠和大鼠的腦中發現了「好友追蹤器」[1]。

以色列魏茲曼研究所的神經生物學家 Nachum Ulanovsky 等人,在海馬迴中發現有腦細胞(Hippocampus),似乎專門追踪其他動物或物體 [2]。

無獨有偶,日本埼玉理化學研究所(RIKEN)腦科學綜合研究所的神經科學家藤澤茂義等人也發現,當大鼠看到其他大鼠移動時,在海馬迴中也有類似的大腦活動 [3]。

這兩個意想不到的發現,加深了對哺乳動物腦複雜定位系統的認識。蝙蝠和大鼠也是社會性動物,和人類一樣,需要知道群體中其他成員的位置,以便彼此互動,互相學習、一起團體活動。

海馬迴,是人類及脊椎動物腦中的重要部分,名字來源於這個部位的彎曲形狀貌似海馬。目前在有海馬迴的動物身上發現的海馬迴皆成對出現,分別位於左右腦半球。它是組成大腦邊緣系統的一部分,位於大腦皮質下方,擔當著關於短期記憶、長期記憶,以及空間定位的作用。

科學家早已在海馬迴發現了幾種不同類型的細胞,這些細胞的訊號結合在一起會告訴動物牠們身處何處,例如當動物處於特定位置時,「位置細胞」(place cell)會產生訊號,而另一些則與速度或頭部方向起反應,甚至能充當一種指南車,就像清大系統神科學研究所羅中泉在果蠅腦中發現的那樣 [4]。

美國科學家 John O’Keefe 以及挪威夫妻檔學者 May‐Britt Moser 和 Edvard I. Moser 就因為「發現組成大腦定位系統的細胞」,讓人們知道大腦如何讓我們在複雜的環境中找到正確的路,榮獲 2014 年諾貝爾生理醫學獎(Nobel Prize in Physiology or Medicine)。

不過關於其他動物的位置,在腦中是如何起反應的,卻所知甚少,這是首次發現與其他動物的位置而非自身位置起反應的細胞。

Ulanovsky 等人在他們的研究中,探討蝙蝠追踪另一隻蝙蝠的運動時,在蝙蝠腦中發生了什麼事 [2]。他們使用了埃及果蝠(Rousettus aegyptiacus)來進行實驗。和人類一樣,蝙蝠也是社會性動物,牠們群聚在洞穴裡,需要無時無刻注意其他同伴的精確位置。

他們把一對蝙蝠關在一個房間裡訓練,用零食誘惑牠們從一個位置飛到另一個位置,然後回來飛過來、飛過去。另一隻蝙蝠則宅在旁作為「觀察者」觀看那一隻飛行的蝙蝠,如果牠也能在相同的飛行路線飛過來、飛過去,則也會獲得零食獎勵。這讓觀察員蝙蝠有動機密切關注對方的飛行軌跡。

他們還訓練觀察員蝙蝠追踪科學家在兩個位置之間移動的塑膠物體,它和蝙蝠的大小差不多。接著科學家把電極植入觀察者的蝙蝠海馬迴中,以記錄牠們的大腦訊號,看看牠們的海馬迴會有啥反應。Ulanovsky 等人近年極力研發出微小的電極和記錄裝置,以不干擾蝙蝠的方式來記錄神經訊號。

他們發現蝙蝠在飛行時,海馬迴背 CA1 區域有一組神經元對自己的位置起了反應,這並不令人驚訝,因為那是種對自身位置的認知,這些就只是一般的位置細胞。

但是他們驚訝地發現另一些神經元對另一隻飛蝙蝠的位置起了反應,他們稱這些「社交位置細胞」(social place cells)。他們還發現了另一些對無生命塑膠物體作出反應的細胞,它們與社交位置細胞有不同的反應活動模式。這兩群細胞之間有不少重疊,例如,一些神經元對另一隻蝙蝠和塑膠物體都有反應,另一些則同時對自身位置和其他蝙蝠的位置也有反應。

藤澤茂義等人的大鼠研究也英雄所見略同,透過一隻大鼠觀察另一隻大鼠經過一個簡單的 T 型迷宮,來測試海馬迴神經元的活動,他們發現海馬迴背側 CA1 區域的錐體細胞對另一隻大鼠的位置起了反應 [3]。

蝙蝠和大鼠的海馬迴中有如此類似的細胞,應該並非偶然,這種現像在包括人類在內的其他哺乳動物中也可能如此,應該是承襲自我們哺乳動物的共同祖先而來。這些研究也顯示在其他動物進行的基礎研究能夠增進對我們自身的理解。

參考文獻:

1) Alison Abbott. ‘Bat-nav' reveals how the brain tracks other animals. Nature.com-2018/1/12
2) Omer DB, Maimon SR, Las L, Ulanovsky N. Social place-cells in the bat hippocampus. Science. 2018 Jan 12;359(6372):218-224.
3) Danjo T, Toyoizumi T, Fujisawa S. Spatial representations of self and other in the hippocampus. Science. 2018 Jan 12;359(6372):213-218.
4) 【Gene 愛聊科學】果蠅腦中的神經元,如何跟機械的指南車一樣可以指出固定方向?

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