果蝇嗅觉图谱全球首度亮相－－「行政院96年杰出科技贡献奖」得奖人江安世教授专访 作者：蔡永彬　台湾大学新闻研究所 「大脑究竟是怎麽工作的？」生物学家们一直在追求这个问题的答案。清华大学生物科技 研究所江安世教授的研究团队，成功地描绘出全世界第１张果蝇的嗅觉「神经地图」， 「大脑究竟是怎麽工作的？」生物学家们一直在追求这个问题的答案。清华大学生物科技 研究所江安世教授的研究团队，成功地描绘出全世界第1张果蝇的嗅觉「神经地图」，除 了在国际知名期刊《细胞杂志》（Cell）上刊登外，也获得行政院 96 年杰出科技贡献奖 的殊荣。 破解果蝇嗅觉图谱 1991 年，美国哥伦比亚大学艾克索（Richard Axel）教授和西雅图佛瑞哈金森癌症研究 中心巴克（Linda B. Buck）博士证明果蝇嗅觉传递的第１阶层，是透过鼻子嗅觉细胞接 触到气味分子，经神经传送到大脑特定接受器，他们以此获得 2004 年诺贝尔生理医学奖 。十几年来，许多科学家都研究出果蝇脑神经会把嗅觉传送到第２阶层，位於鼻子後面的 「嗅小球」。但是，嗅小球如何把信号传递到第３阶层的「蕈状体」（mushroom bodies ，相当於电脑的中央处理器 CPU），过去没人知道。 江安世教授的研究团队经过 5 年的实验观察，利用高解析度影像科技绘制出嗅小球经由 投射神经树突接收信号，经轴突投射到蕈状体的 17 个不同接收区域。再依蕈状体树突分 析，分辨出各种味道的网路神经地图。他们破解了第２层、第３层的机制，发现果蝇嗅觉 第２、２层的神经元传递不同於第１层，会重新转译、解码讯息。江安世教授团队把研究 成果发表在 2007 年 3 月的 Cell，这是台湾纯本土研究第１次登上这本国际顶尖的学术 期刊。 同年 11 月，江安世教授团队又发现：果蝇的「中、短期记忆」和「长期记忆」储存在大 脑的不同区域。从果蝇的大脑里，他们不仅证明了果蝇的中、短期记忆存在於「蕈状体」 ，也再次发现了果蝇的长期记忆储存在「中心体」。这篇论文发表在《自然─神经科学》 （Nature Neuroscience）杂志，轰动生物学界。 破解秘诀 江安世教授认为，破解果蝇嗅觉密码的关键技术有二：一是他发明的「生物组织澄清技术 」（FocusClearTM），让他们看得「更深」；二是利用 3D 影像软体把不同部位的区域图 结合起来，让他们看得「更广」。 江安世教授进一步说明，首先他们把果蝇的大脑取出、固定，利用「生物组织澄清技术」 加以处理，这让果蝇脑部组织变透明了，更加容易观测。接着再用「共轭焦雷射扫描显微 镜」搭配 3D 影像处理，取得神经细胞及神经纤维图像，得以确立果蝇嗅觉传导的路径。 他们发现在果蝇嗅觉传导中，蕈状体的神经传导细胞的树突，可以依其出生来源及发育次 序分为 17 区。果蝇闻到不同气味，嗅觉讯号就来自不同区域的神经纤维，之後可能到达 不同的蕈状体区域，并与不同功能的神经细胞形成突触。 江安世教授依此结果推论：不同的气味造成不同的嗅觉资讯，可能就经由蕈状体内不同的 区域先行分析处理，再向上传递到更高的神经中枢。他们结合优异的显微成相技术，尤其 是果蝇嗅觉神经网路的 3D 解剖构图，来证明推论的成果，成功建立了果蝇嗅小球「投射 神经元轴突」与蕈状体「肯氏神经元树突」间的特定连结网路，发现嗅觉资讯的处理具有 特定模式与对应性。研究成果还获得多所国外研究机构邀请合作。 从嗅觉到行为 从果蝇到人类 人体大脑构造复杂，科学家们常使用构造较简单的「果蝇」来进行先驱研究。江安世教授 解释，从果蝇推展到白老鼠，是千倍的复杂程度；从白老鼠到人，又是千倍的困难。 江安世教授表示，在生物体的感觉或行为中，相对来说，「嗅觉」较容易操控和理解。果 蝇的嗅小球传导机制和人类很接近，因此从这里出发。他们已经在「果蝇嗅觉」上得到成 果，未来会把「野心」拓展到各种感觉和表现，「果蝇怎麽听到声音？」「果蝇怎麽控制 食欲？」「果蝇会害怕吗？会痛吗？」「果蝇也有同性恋？」都是他们希望能「一网打尽 」的课题。 江安世教授自谦，他的研究只是建立果蝇脑神经网路图谱的一小步。但这就像是之前「大 肠杆菌基因组计画」做为「人类基因组计画」（Human Genome Project）的先导计画一样 ，「果蝇脑神经网路图谱」的完成，意味着「人类脑神经网路图谱」也将在不久後完成。 目前清华大学「脑科学研究中心」的跨领域研究团队，已经成功地发展出一系列的基因转 殖科技及生物影像自动化处理，依现有的发展速度，江安世教授预估「果蝇脑神经网路图 谱」应可在 10 年内建置完成。 2008 年 6 月底，江安世教授应邀到美国的伍兹－霍尔（Woods Hole）海洋生物实验室、 纽约冷泉港实验室参访、演讲，讲题就是「建构果蝇脑的神经网路图谱」。发现 DNA 双 螺旋结构的 1962 年诺贝尔生理医学奖得主华生（James D. Watson）教授，也出现在冷 泉港实验室的演讲会场，会後他特别邀约江安世教授夫妇到家中餐叙，并高度赞赏江教授 建构的果蝇脑神经网路图谱与其投注的研究心力。 江安世教授说，华生教授告诉他这一生最看重的有 4 件事：解开 DNA 双螺旋结构、发展 冷泉港实验室（世界顶尖的癌症与神经科学研究中心）、起始人类基因体计画及破解大脑 神经网路。前面 3 件事已分别於 1953、2000 及 2003 年完成或告一段落，而第４件事 情是他现在殷切期待的。华生教授看到江安世教授已解开神经网路图谱的雏型，他希望在 有生之年能够看到这个梦想成真。 「未来是『操控基因』的时代。」江安世教授认为，人类大脑可分为「硬体」和「软体」 两个部分，硬体指的就是神经细胞之间的连结网路，软体指的是细胞内基因的互动和电位 讯号传递。软、硬体同时作用，大脑才能影响身体，或是下各种指令。只要了解大脑图谱 ，就能操控基因，甚至让更多的感官彼此连结。 「你知不知道，现在科学家可以随心所欲操控任意脑神经细胞的基因表现？」「基因转殖 的果蝇已能『看到味道』、『过目不忘』、『延长寿命』、『改变性向』。」对科学家而 言，这样的科技应用在人类身上，已经不是「会不会」的问题，而是「何时发生」。江安 世教授兴奋地说，当人们可以随心所欲操控基因，就离「治疗疾病」越来越近，阿兹海默 氏症、帕金森氏症可能都会有治疗的方法，新的生物科技对於医疗、法律、商业都会带来 新的冲击和变革。 相关附件：《科学发展》2009年1月，433期，59 ~ 61页 PDF(有图)： http://ejournal.stpi.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/9801/9801-11.pdf --

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