果蠅嗅覺圖譜全球首度亮相－－「行政院96年傑出科技貢獻獎」得獎人江安世教授專訪 作者：蔡永彬　臺灣大學新聞研究所 「大腦究竟是怎麼工作的？」生物學家們一直在追求這個問題的答案。清華大學生物科技 研究所江安世教授的研究團隊，成功地描繪出全世界第１張果蠅的嗅覺「神經地圖」， 「大腦究竟是怎麼工作的？」生物學家們一直在追求這個問題的答案。清華大學生物科技 研究所江安世教授的研究團隊，成功地描繪出全世界第1張果蠅的嗅覺「神經地圖」，除 了在國際知名期刊《細胞雜誌》（Cell）上刊登外，也獲得行政院 96 年傑出科技貢獻獎 的殊榮。 破解果蠅嗅覺圖譜 1991 年，美國哥倫比亞大學艾克索（Richard Axel）教授和西雅圖佛瑞哈金森癌症研究 中心巴克（Linda B. Buck）博士證明果蠅嗅覺傳遞的第１階層，是透過鼻子嗅覺細胞接 觸到氣味分子，經神經傳送到大腦特定接受器，他們以此獲得 2004 年諾貝爾生理醫學獎 。十幾年來，許多科學家都研究出果蠅腦神經會把嗅覺傳送到第２階層，位於鼻子後面的 「嗅小球」。但是，嗅小球如何把信號傳遞到第３階層的「蕈狀體」（mushroom bodies ，相當於電腦的中央處理器 CPU），過去沒人知道。 江安世教授的研究團隊經過 5 年的實驗觀察，利用高解析度影像科技繪製出嗅小球經由 投射神經樹突接收信號，經軸突投射到蕈狀體的 17 個不同接收區域。再依蕈狀體樹突分 析，分辨出各種味道的網路神經地圖。他們破解了第２層、第３層的機制，發現果蠅嗅覺 第２、２層的神經元傳遞不同於第１層，會重新轉譯、解碼訊息。江安世教授團隊把研究 成果發表在 2007 年 3 月的 Cell，這是臺灣純本土研究第１次登上這本國際頂尖的學術 期刊。 同年 11 月，江安世教授團隊又發現：果蠅的「中、短期記憶」和「長期記憶」儲存在大 腦的不同區域。從果蠅的大腦裡，他們不僅證明了果蠅的中、短期記憶存在於「蕈狀體」 ，也再次發現了果蠅的長期記憶儲存在「中心體」。這篇論文發表在《自然─神經科學》 （Nature Neuroscience）雜誌，轟動生物學界。 破解祕訣 江安世教授認為，破解果蠅嗅覺密碼的關鍵技術有二：一是他發明的「生物組織澄清技術 」（FocusClearTM），讓他們看得「更深」；二是利用 3D 影像軟體把不同部位的區域圖 結合起來，讓他們看得「更廣」。 江安世教授進一步說明，首先他們把果蠅的大腦取出、固定，利用「生物組織澄清技術」 加以處理，這讓果蠅腦部組織變透明了，更加容易觀測。接著再用「共軛焦雷射掃描顯微 鏡」搭配 3D 影像處理，取得神經細胞及神經纖維圖像，得以確立果蠅嗅覺傳導的路徑。 他們發現在果蠅嗅覺傳導中，蕈狀體的神經傳導細胞的樹突，可以依其出生來源及發育次 序分為 17 區。果蠅聞到不同氣味，嗅覺訊號就來自不同區域的神經纖維，之後可能到達 不同的蕈狀體區域，並與不同功能的神經細胞形成突觸。 江安世教授依此結果推論：不同的氣味造成不同的嗅覺資訊，可能就經由蕈狀體內不同的 區域先行分析處理，再向上傳遞到更高的神經中樞。他們結合優異的顯微成相技術，尤其 是果蠅嗅覺神經網路的 3D 解剖構圖，來證明推論的成果，成功建立了果蠅嗅小球「投射 神經元軸突」與蕈狀體「肯氏神經元樹突」間的特定連結網路，發現嗅覺資訊的處理具有 特定模式與對應性。研究成果還獲得多所國外研究機構邀請合作。 從嗅覺到行為 從果蠅到人類 人體大腦構造複雜，科學家們常使用構造較簡單的「果蠅」來進行先驅研究。江安世教授 解釋，從果蠅推展到白老鼠，是千倍的複雜程度；從白老鼠到人，又是千倍的困難。 江安世教授表示，在生物體的感覺或行為中，相對來說，「嗅覺」較容易操控和理解。果 蠅的嗅小球傳導機制和人類很接近，因此從這裡出發。他們已經在「果蠅嗅覺」上得到成 果，未來會把「野心」拓展到各種感覺和表現，「果蠅怎麼聽到聲音？」「果蠅怎麼控制 食欲？」「果蠅會害怕嗎？會痛嗎？」「果蠅也有同性戀？」都是他們希望能「一網打盡 」的課題。 江安世教授自謙，他的研究只是建立果蠅腦神經網路圖譜的一小步。但這就像是之前「大 腸桿菌基因組計畫」做為「人類基因組計畫」（Human Genome Project）的先導計畫一樣 ，「果蠅腦神經網路圖譜」的完成，意味著「人類腦神經網路圖譜」也將在不久後完成。 目前清華大學「腦科學研究中心」的跨領域研究團隊，已經成功地發展出一系列的基因轉 殖科技及生物影像自動化處理，依現有的發展速度，江安世教授預估「果蠅腦神經網路圖 譜」應可在 10 年內建置完成。 2008 年 6 月底，江安世教授應邀到美國的伍茲－霍爾（Woods Hole）海洋生物實驗室、 紐約冷泉港實驗室參訪、演講，講題就是「建構果蠅腦的神經網路圖譜」。發現 DNA 雙 螺旋結構的 1962 年諾貝爾生理醫學獎得主華生（James D. Watson）教授，也出現在冷 泉港實驗室的演講會場，會後他特別邀約江安世教授夫婦到家中餐敘，並高度讚賞江教授 建構的果蠅腦神經網路圖譜與其投注的研究心力。 江安世教授說，華生教授告訴他這一生最看重的有 4 件事：解開 DNA 雙螺旋結構、發展 冷泉港實驗室（世界頂尖的癌症與神經科學研究中心）、起始人類基因體計畫及破解大腦 神經網路。前面 3 件事已分別於 1953、2000 及 2003 年完成或告一段落，而第４件事 情是他現在殷切期待的。華生教授看到江安世教授已解開神經網路圖譜的雛型，他希望在 有生之年能夠看到這個夢想成真。 「未來是『操控基因』的時代。」江安世教授認為，人類大腦可分為「硬體」和「軟體」 兩個部分，硬體指的就是神經細胞之間的連結網路，軟體指的是細胞內基因的互動和電位 訊號傳遞。軟、硬體同時作用，大腦才能影響身體，或是下各種指令。只要了解大腦圖譜 ，就能操控基因，甚至讓更多的感官彼此連結。 「你知不知道，現在科學家可以隨心所欲操控任意腦神經細胞的基因表現？」「基因轉殖 的果蠅已能『看到味道』、『過目不忘』、『延長壽命』、『改變性向』。」對科學家而 言，這樣的科技應用在人類身上，已經不是「會不會」的問題，而是「何時發生」。江安 世教授興奮地說，當人們可以隨心所欲操控基因，就離「治療疾病」越來越近，阿茲海默 氏症、帕金森氏症可能都會有治療的方法，新的生物科技對於醫療、法律、商業都會帶來 新的衝擊和變革。 相關附件：《科學發展》2009年1月，433期，59 ~ 61頁 PDF(有圖)： http://ejournal.stpi.org.tw/NSC_INDEX/Journal/EJ0001/9801/9801-11.pdf --

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