【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?

果蠅腦的研究,未來將有助瞭解我們人腦是如何協助我們感受週遭環境,並在空間遊移的過程中,持續追蹤自己所在的位置,在覓食、遷徙、或是躲避災難中扮演關鍵不可或缺的功能。
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指南車,又稱司南車,是一種用差速器來辨認方向的儀器,傳說中指南車乃是由軒轅黃帝或周公發明。史書又記載了三國時魏國馬鈞製作司南車。車上有一小人,其手指的方向即為南方。

指南車與指南針是不同的,指南針是磁力的現象,而指南車是機械的發明。指南車本身的機械傳動構造的「差動齒輪組」是使指南車上的小木人能永遠指著固定方向的原因。指南車在車廂中間有根直立的長木棍子。棍子頂端有一個木人,不論車子往哪個方向轉,木人永遠都指著同一個方向。

動物在空間遊移時也要能夠追踪其行進的空間方向。即使當動物失去與外界的視覺接觸時,仍需要保持其方向的短期記憶,並在運動期間不斷更新,在執行目標導向運動時保持空間方向,並且需要執行角度路徑積分的運算。

過去科學家的研究一再指出,果蠅腦中的中央複合體(central complex),可能參與了導航的功能 [1]。中央複合體在節肢動物腦的中心,把來自右側和左側的訊息綜合在一些中央結構中,這與與大腦其餘部分分散式地處理訊息而言,是很不一樣的 [2]。中央複合體的結構由密集神經元列編在一起。這些神經線穿過四個重疊互連的結構:前腦橋(protocerebral bridge)、橢球體(ellipsoid body)、扇形體(fan-shaped body)和成對的結節(noduli)。橢圓體和扇形體一起被稱為中心體(central body)。

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最近在果蠅中的研究發現,中心複合體的橢球體表現出的局部神經活動,可能和視覺提示的方向有相,儘管精確的線路和潛在的機制仍不清楚。即使在伸手不見五指的黑暗中,這種活動仍然存在,並且與身體的水平旋轉反向相反。

這樣的活動可能代表了一個「內部指南車」,讓果蠅在飛行能夠追踪其空間方向。

羅中泉

國立清華大學系統神經科學研究所的羅中泉及學生等人,分析了最近發表的細胞層次的神經連接體資料。他們發現了橢球體線路的獨特特徵,包含配對的對稱和非對稱的環。他們於是用神經連接體構建了神經迴路模型,提出對稱環會起始一個反饋迴路,維持持續的神經活動,以編碼出關於空間動向的訊息,而不對稱環能夠在身體在黑暗中旋轉時,對角度路徑進行積分。他們的研究成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)[3]。

簡單來說,橢球體長得就像一個甜甜圈一樣。把果蠅放到一個環形螢幕底下,只有一個會亮的視覺提示,其他地方是黑暗的,甜甜圈狀的橢球體會有一撮神經會有接受到視覺訊息而有相對應的區域性活動,當視覺訊息移動時,對應的神經活動也會隨之移動,當視覺訊息消失了,該神經活動不會馬上消失,這代表著腦對視覺訊息留下的記憶,讓果蠅不致於眼前一暗就分不清楚東西南北。

該區域性神經活動,甚至在果蠅水平方向移動了位置,仍指向原本的地方,就像指南車一樣,車上小人不管車子怎麼轉,都指著同一方向。

可是果蠅腦畢竟不是機械式的指南車,在神經元的層次是如何辦到的?過去的模式能夠解釋,當視覺訊息消失時,為何神經訊息仍留下至少一兩分鐘之久,這只要一群神經互動激活對方的正反饋就行了,但無法解釋為何果蠅進行水平移動時,神經活動會移動而指向同一方向。羅中泉等人就是想要解決這個問題。

羅中泉等人利用了過去發表的神經連結體的研究,也就是利用神經系統連結方式的完整線路之大數據分析。不僅是果蠅有此現像,老鼠腦中的頭向細胞(head-direction cell),也與空間遊移能力有關,被認為是網格細胞(grid cell)的上游,網格細胞的反應,有如即時感應縱橫交錯的座標系統,讓大鼠知道如何在空間中遊移。要做到空間遊移的定位,要做到兩件事,一是要能夠做直線的積分,也就是知道前進了多遠,另一件是要能知道轉彎的角度。

雖然過去些研究對老鼠的數量理論研究和昆蟲的研究探討了關於頭向系統或運動如何運作的,但它們都是基於假設的網絡結構。老鼠和大多數昆蟲(除果蠅除外)的相關腦區域的單細胞層次連接的資訊不足,因此仍然不清楚哪個(如果有的話)網絡模型,能夠準確地描述了基於角度路徑積分的實際線路機制。

羅中泉等人利用了包括清大腦科學中心於最近發表的神經連接體資料,分析了果蠅中心複合體中的橢球體-前腦橋線路的連接體,並發現系統中的對稱和不對稱反饋線路。他們的分析結果顯示,從網絡架構的角度來看,橢球體-前腦橋線路能夠保持活動和執行角度路徑積分,進一步顯示其在維護空間遊移中的作用。

羅中泉在幾年前就猜測中心複合體中的橢球體有空間遊移定位的功能,並且開始相關研究,只是苦於沒有直接的證據。中心複合體中的橢球體整合了視覺等感官訊息,並且會傳送訊息到運動系統,所以他懷疑橢球體等空間定位也有關,後來霍華休斯醫學研究院珍利亞農場研究園區的神經科學家 Vivek Jayarama 等人近年的研究顯示橢球體和空間遊移定位確實息息相關 [1]。

利用清大腦科學中心解析度達到細胞層次的神經連結體,羅中泉等人的大數據分析發現,橢球體其實包含了三個環,一個環的神經是在區域中互動刺激,另外兩個是配對的環,一個是順時鐘方向刺激隔壁神經元的環,另一個是刺激逆時鐘方向的刺激隔壁神經元的環,利用這個刺激隔壁神經元的方式,神經活動就能在橢球體中隨身體的水平方向移動而反方向移動,讓神經活動指向同一方向。

羅中泉等人的分析發現,那些順時鐘和逆時鐘的環,上遊連結到了中央複合體條狀的前腦橋,順時鐘轉的連到左側,逆時鐘轉的連到右側,所以只要前腦橋半邊傳訊息至橢球體中,就能刺激神經活動往順時鐘或逆時鐘方向轉,因此果蠅身體在水平旋轉時,運動和感覺器官可能把訊號送至前腦橋,接著刺激其中一個方向的環讓神經活動移動,讓腦中的指南車不靠機械式活動也能轉動。

這個模式能夠做出預測,就是身體在水平旋轉時,只會刺激前腦橋的半邊,並且對應到橢球體的轉動方向。羅中泉等人的研究,充分利用了單神經元層次的詳細連接體,用於分析建立出可靠的神經線路模型,所提出的模型能夠在單個神經元的層次上進行實驗測試預測。

果蠅腦的研究,未來將有助瞭解我們人腦是如何協助我們感受週遭環境,並在空間遊移的過程中,持續追蹤自己所在的位置,在覓食、遷徙、或是躲避災難中扮演關鍵不可或缺的功能。

(註:感謝羅中泉老師提供的資訊及解讀。)

參考文獻:

1) Seelig JD, Jayaraman V. Neural dynamics for landmark orientation and angular path integration. Nature. 2015 May 14;521(7551):186-91. doi: 10.1038/nature14446.

2) Turner-Evans DB, Jayaraman V. The insect central complex. Curr Biol. 2016 Jun 6;26(11):R453-7. doi: 10.1016/j.cub.2016.04.006.

3) Su TS, Lee WJ, Huang YC, Wang CT, Lo CC. Coupled symmetric and asymmetric circuits underlying spatial orientation in fruit flies. Nat Commun. 2017 Jul 26;8(1):139. doi: 10.1038/s41467-017-00191-6.



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