脑科学研究里程碑:台湾团队领先全球,解密果蝇大脑资讯流动通路

浏览量:793 时间:2020-08-01阅读:428点赞:467

脑科学研究里程碑:台湾团队领先全球,解密果蝇大脑资讯流动通路

2013 年,美国总统欧巴马宣布,在「人类基因组计画」顺利完成后,将整合全国研究资源,开始推动为期十年的「BRAIN Initiative」(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies)大型研究计画,预计将投入数十亿美元的研究经费。

这个计画的目的,是绘製出人类大脑全脑的活动图谱(brain activity map),也就是大脑连结体*(connectome),以此连结体图谱为基石,来理解人类大脑运作的奥秘,并藉此寻找各种难解的大脑病变之成因与治疗之道。无独有偶,欧盟也在瑞士的洛桑联邦理工学院主导下,推出了「Human Brain Project」,预计投入 11.9 亿欧元,建立人脑的连结体模型并进行大规模的数值模拟。

这些计画最大的挑战在于,人脑有超过 1 千亿个神经元,彼此以数以兆计的神经突触(synapse)互相连结,形成一个极度繁複的网路,时时刻刻都有成群的脑细胞发生複杂的神经电生理活动;以目前的实验与资料处理技术来看,几可称之为「不可能的任务」,因此「BRAIN Initiative」的主要任务之一,是开发新的技术,来处理这个庞大的网路。幸而许多从分子与细胞尺度的生化调控机制,到整个生物体的行为模式,在从低等到高等的各物种间,都有可对应的相似之处,因此在新的技术开发出来之前,我们可以从比较简单的动物下手,了解了简单大脑的运作,便可以相当程度地推估出如人脑般複杂大脑的运作模式。

大脑绘製竞赛,台湾夺先机

在这场绘製大脑连结体图谱的脑科学世界大赛中,台湾抢得了先机。2011 年,由中央研究院院士、清大讲座教授江安世领军的清大脑科学中心,与国家实验研究院所属的国家高速网路与计算中心合作,发表了果蝇大脑神经元影像资料库 FlyCircuit,为全世界第一个细胞尺度的大脑连结体,《纽约时报》曾大幅报导此一重大成就,视为连结体时代的第一个里程碑。

脑科学研究里程碑:台湾团队领先全球,解密果蝇大脑资讯流动通路 果蝇大脑连结体示意图:利用 FlyCircuit 资料库内将近三万颗的果蝇大脑神经元影像,可重组大脑网路连结图谱。为了避免所有的神经元纠缠成一团,图中只显示 15 颗神经元的连结。

为何果蝇这种日常生活中随处可见的小飞虫,会是脑科学研究模式生物的最佳选择?因为它具有以下特性:一、它的大脑够简单,大约只有 13 万颗脑细胞,是以目前的技术,有可能在数年内完成全脑神经元的连结图谱;二、它的大脑够複杂,可以表现出许多可对应于高等动物的複杂行为,例如学习、记忆、睡眠、求偶;三、果蝇研究具有最完整的基因研究工具,可以操弄特定的基因或是单一神经元,推知各个基因与神经元在大脑运作中的角色。

有了大脑的神经元连结图谱之后,破解大脑运作秘密的下一步,就是了解资讯如何在大脑内流动。笔者以理论物理与複杂系统之研究专长,加入了这个由清大脑科学中心、东海大学应用物理系、美国印第安那大学以及美国圣地牙哥 Kavli 脑与心智研究院所组成的跨领域国际研究团队,并主导果蝇大脑网路结构与资讯流动分析的研究,让果蝇连结体研究进入了系统化、定量化的层次。我们引入结合数理科学以及複杂网路的跨领域研究方法,梳理了实验团队所累积的庞杂影像资料,建构了简洁的果蝇标準大脑网路模型,对这个课题提出了初步的解答,并于 2015 年 4 月将成果发表于《细胞出版集团》(Cell Press)旗下之顶尖期刊《当代生物学》(Current Biology)。

脑网路存在富人脑区,是大脑功能的处理中枢

研究结果显示,果蝇大脑可再细分为 49 个称为「局域运算单元」(Local Processing Unit,LPU)的脑区,彼此间以投射神经元(projection neuron)互相连结。这 49 个单元依其连结强度聚集成 5 个功能群组,分别掌管嗅觉、听觉、左右视觉以及发出运动指令前之讯号整合。

脑科学研究里程碑:台湾团队领先全球,解密果蝇大脑资讯流动通路 果蝇大脑的 49 个局域运算单元位置图,上、中、下图依序为最前方、中间与最后方(最靠近身体)的位置。

有趣的是,果蝇的脑网路也向人类世界的经济网路一般,具有「小世界网路」的特性,以及存在「富人俱乐部」(Rich Club)的结构。前者指的是功能群组内的脑区,彼此紧密结合形成群聚,任两个脑区(不论是否在同一个功能群组内)之间,只需要经过少数几次传递,便可互通讯息。小世界的特性,使大脑网路具有高效能的讯息处理与传播的能力,让生物能够迅速地对外界刺激做出反应,以及从事学习、记忆、决策等更複杂的行为。而五大功能模组各自的核心,是大脑中拥有最强连结的脑区(对应于经济网路中的富人),而这些「富人脑区」之间又互相紧密结合形成「富人俱乐部」,成为主宰整个大脑功能的处理中枢。

大脑迴圈特性,与工作记忆有关

大脑网路内也存许多形成迴圈(loop)的路径,大脑内的神经电讯号可以在这些迴圈中持续流动一段较长的时间,这种结构可能与短期的「工作记忆」有关:例如我们用手机上网查到餐厅的电话号码后,关闭网页可以马上靠记忆拨打电话订位,「工作记忆」必须维持到工作完成,之后很快就会消失,以释放出记忆容量。

根据大脑网路结构之分析结果,研究团队提出了外界讯号进入果蝇大脑后的资讯流动模型,解析嗅觉、听觉、视觉等刺激讯号从感官输入到运动输出之资讯流通路径,跨出了理解「大脑如何运作」这个重大课题的一大步。

脑科学研究里程碑:台湾团队领先全球,解密果蝇大脑资讯流动通路 果蝇大脑资讯处理流程模型。跨领域合作,让研究资源相加成

以台湾有限的研究资源与人力,要维持在大脑连结体领域的领先地位并不容易。这项成果除了重大学术发现的价值之外,更展现了跨领域合作的潜力与重要性,透过理论与实验的合作、数理科学与生命科学领域的整合,将有限的研究资源相加后发挥了相乘的效果。此一效应将持续发酵,我们的跨领域团队将持续提出更重要的研究成果。

*Connectome:连结体的概念,被视为当代脑科学研究的新典範。此概念最早由印第安那大学的 Olaf Sporns 所提出,主张研究大脑应该效法上个世纪末的「基因体计画」,先测绘出整个大脑各区域的整体连结图谱后,再进行各别功能迴路的细部研究,才有可能完整理解大脑的结构与功能。

相关文章