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雄果蠅貞操帶:制約研究新道具

Credit: Amy Xinyang Hong & Cedric Tan

Credit:Phys.org Amy Xinyang Hong & Cedric Tan

社會互動對人們影響很大,因為這個過程讓我們學會如何在社會叢林中生存,小時候有被狗追的經驗,就開啟了怕狗人生;曾經被心上人拒絕過,就再也不敢輕易告白;考試沒有拿一百分被老師毒打一頓,就從此跟所有老師保持距離。我們知道人們會在事件中找到因果關係,改變行為以避免下次受傷,但我們還不知道在大腦中,神經迴路如何記得這些不愉快的事件而調整人們的行為,清華大學的團隊用果蠅自動雷射追蹤系統破解神經迴路影響行為的機制。

果蠅的求偶制約常被用來研究基因跟大腦迴路如何調控特定社交行為。雄果蠅是個精蟲衝腦的傢伙,無法克制下半身「見了就上」的強烈慾望,沒事就愛追求雌果蠅,有研究發現雄果蠅跟心有所屬的雌果蠅相處數小時,經歷無數的告白失敗後,會灰心喪志的放棄追求(Winbush et al., 2012),觸景傷情、殘留在雌果蠅身上其他男人的味道都是對雄果蠅欲嚐禁果的懲罰,而抑制雄果蠅繼續求愛,但是科學家還不知道表現先前事件跟不愉快結果的神經活動怎麼在腦中聯結,因為現在的技術很難控制雌果蠅行為,也很難在雄果蠅求偶時有效調控神經元。為了解決這個問題,清華大學的團隊突破性的研發出自動雷射追蹤暨光遺傳調控系統(ALTOMS),可以即時分析並調控兩隻自由果蠅的社會互動,傳統制約研究以雌果蠅拒絕求愛和雄果蠅臭味當做懲罰,本實驗以高能雷射產生的痛覺作為懲罰,訓練雄果蠅遠離雌果蠅。

自動追蹤雷射系統(ALTOMS)示意圖

ALTOMS 示意圖。此系統的組成有果蠅競技場、影像捕捉模組、智慧中央控制模組和雷射掃描模組。

雷射讓雄果蠅痛苦的放棄求愛

飢餓遊戲中,貢品在競技場內廝殺,全方位攝影機 24 小時不間斷直播他們的一舉一動,遊戲設計師全程監控,適時調整遊戲難度。在利用 ALTOMS 的果蠅研究中,研究人員將一隻雄果蠅和一隻處女果蠅放在果蠅競技場,讓雄果蠅自由求愛,攝影機全程錄影,電腦即時分析影像,當雄果蠅靠近雌果蠅有告白嫌疑時,雷腦即時啟動雷射追蹤系統,向雄果蠅發射高能(42 mW/mm2)藍色雷射產生痛覺,像是男性貞操帶的概念,苦情的雄果蠅在一個小時內受到的挫敗,讓牠在往後的 24 小時都對雌果蠅保持距離,顯示果蠅可以迅速形成長期記憶,聯結先前事件(靠近雌果蠅)和懲罰(痛覺),改變行為(迴避母果蠅)。為什麼要特別使用處女果蠅?因為交配過的雌果蠅身上有雄果蠅費洛蒙,也會影響雄果蠅的求偶記憶。

研究人員對雄果蠅進行 60 分鐘的訓練,當雄果蠅靠近雌果蠅距離 3.5mm(相當於母果蠅的體長)超過 2 秒鐘(避免雄果蠅因為路過雌果蠅而被電腦誤會),雷射槍會自動攻擊雄果蠅,直到牠離開雌果蠅方圓 3.5mm 的神聖領域,受到雷射攻擊的雄果蠅傾向遠離雌果蠅,而對照組傾向跟雌果蠅保持 3.5mm左右的距離。此外,在60分鐘的實驗中,雄果蠅因為靠近雌果蠅而引起的雷射次數及長度都隨著時間見少,顯示雄果蠅學會遠離雌果蠅以避免雷射攻擊。

雷射攻擊對好色的雄果蠅真是錐心之痛,在自然條件下,雄果蠅要被拒絕 5 ~ 7 小時,才會形成長期記憶而放棄追求,但利用雷射攻擊的空做制約,可以讓果蠅在1小時內形成長期記憶,訓練結束後 24 小時都對雌果蠅竟而遠之,這種強烈又迅速成立的記憶,顯示雄果蠅意識到自由移動的雌果蠅跟身上莫名的疼痛有關係。

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在60分鐘的訓練中,因為被美色吸引的雄果蠅受到雷射攻擊後傾向遠離雌果蠅。

啟動神經元研究的光遺傳學

科學家常用電極控制神經活動,卻沒辦法準確啟動或抑制特定神經元,為了了解錯綜複雜的大腦,科學家必須找到方法,一次只調控一種神經元活動而不影響其他神經元活動。微生物體內的光敏通道(ChR2)照射藍光後可以啟動神經元活動,將這種物質表現在動物的神經元上,即可用來研究大腦迴路。

在雷射攻擊的制約訓練中,雄果蠅遇到雌果蠅拔腿就跑的其中一個步術是跳開,這個動作很少發生在控制組的果蠅身上。研究人員將 ChR2 表現在果蠅巨大神經纖維,這對聯絡神經元會將感覺傳遞到胸部運動神經元,啟動跳躍反射。ALTOMS 對果蠅發射藍色雷射,相較於對照組,有表現 ChR2 果蠅跳躍的機率較高。但這個作用只對頭部及胸部的雷射有效,腹部則否,因為腹部沒有此神經元,表示光遺傳驅動的 ChR2 可以啟動果蠅運動神經元。

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果蠅的巨大纖維神經(綠色)和雷射照射不同部位產生的跳躍率比較。

光遺傳調控神經迴路,傳遞懲罰訊號

在制約實驗中,雄果蠅怎麼將雌果蠅和痛覺連在一起呢?接近雌果蠅和痛覺散落在茫茫腦海中,我們必須找到牽著兩個事件的神經紅線,才能解開這個秘密。

Painless 基因的產物在產生痛覺中扮演關鍵角色,Pain 是一個 painless 的突變形式,會產生突變的 Painless 蛋白質。這種果蠅在 60 分鐘的強力雷射制約訓練中,跟健康果蠅一樣會逃離雌果蠅,但結束訓練後移除雷射再測試牠們對雌果蠅的反應,突變果蠅的逃離表現卻跟控制組差不多,好像什麼事都沒發生過一樣,顯示 painless 突變的果蠅沒有產生短期記憶。

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圖A Pain1突變的果蠅無法產生短期記憶。圖B 表現pain-Gal4的神經(綠色)。圖C 活化Pain-Gal4上的ChR2可以產生距離限制記憶。

Pain-Gal4 在許多腦部跟腹部神經元上都有表現,研究人員模擬操作制約訓練,將雄果蠅跟處女雌果蠅放在果蠅競技場,但當雄果蠅靠近雌果蠅時,改發射足以活化 ChR2 卻不足以產生制約溫和雷射。結果發現,活化胸部 Pain-Gal4 神經元的 ChR2 可以導致強烈的距離限制記憶,程度相當於對正常果蠅用強力雷射產生的記憶,即使沒有強力的雷射能量,光遺傳活化 Pain-Gal4 神經元可以模擬操作距離限制學習實驗中的懲罰,證明正常的 Painless 基因產物在距離限制記憶的形成扮演不可或缺的角色。

ALTOMS 可以即時分析果蠅互動行為,並訊速、準確的以兩種雷射追蹤動態果蠅的身體目標,啟動光遺傳調控,是果蠅行為和神經迴路研究工具的重大突破,未來有機會藉由此設備系統化的定位果蠅大腦中形成記憶的迴路。

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