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公果蠅追女友竟被她狠心阻止! 朱麗安的雷射追蹤系統——拜見科學界女力(二)

留著一頭長髮,黑色粗框眼鏡,她,是清大生技所博士班學生朱麗安,年紀輕輕已經是第九屆(2016 年)台灣女科學家「孟粹珠獎學金」得主。

初次見面,她與我想像中的「科學家」有段距離。

朱麗安上

台灣女科學家「孟粹珠獎學金」得主朱麗安。圖/吳健雄學術基金會提供

或許因為是學生身分,反而讓提問不再那麼有心理負擔,畢竟每回要在各專家學者前提出笨問題,內心總會先經過一番不小的掙扎(科學領域太高深莫測,不是那個領域專家真的很難搞懂啊)。

所以,故事要從腐敗水果上飛舞的小小果蠅開始。你沒看錯,朱麗安的研究主題就是果蠅。

或許你內心跟我有一樣的疑惑:在外人眼中,飛來飛去的果蠅能有什麼大學問?對朱麗安來說,這隻小生物的行為和人腦一樣有趣。「其實果蠅分工很精細,這麼小的腦,卻已經有學習跟記憶的功能」。

小小果蠅 大大學問:研究人腦的前驅模式動物

民眾眼裡沒什麼用的果蠅,是科學家研究人腦的重要基礎。

身長只有 2.5 毫米的母果蠅(公果蠅更小),腦內已經有 13 5000 個神經元,雖然與人類超過 1000 億個神經元相比還是小巫見大巫,卻能讓科學家藉此推估人腦的運作方式。到目前為止,科學家已經能透過操控果蠅特定的神經元或基因,來了解這些構造在訊息傳遞過程中如何在果蠅大腦裡運作。此外,果蠅培養成本低,生命週期短(約 60 天左右),對於需要大量數據搜集的實驗類型非常有幫助,並能與目前許多大數據分析做配合運用;目前科學家已經發現,有超過 60% 的人類疾病,能在果蠅基因體上找到同源基因。最重要的,由於果蠅基因容易操控,人類許多遺傳性疾病(如阿茲海默症、帕金森氏症)都可以轉植到果蠅上研究,對於無法直接進行人體實驗的遺傳性疾病來說,是一個很大的進步。

3D 模擬果蠅嗅覺訊息處理過程

「現在我們用果蠅來做實驗的行為主要有求偶跟學習與記憶。」,朱麗安所屬的實驗室是全台灣數一數二、專做果蠅的實驗室。她的指導老師江安世 2007 年發表在知名期刊《細胞》的「果蠅腦內嗅覺神經網路地圖」,把果蠅處理嗅覺訊息過程的最後一個階段——果蠅腦內神經元如何接受訊息、分析解碼各種味道——用 3D 立體影像呈現,研究發表當下在學術界引起不小震撼。

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江安世實驗團隊所建立的果蠅腦內嗅覺神經網路地圖。圖 /取自科技大觀園

清大生物科技研究所教授江世安在研究中發現,小小果蠅光是嗅覺處理就有三道關卡——鼻子嗅覺細胞接觸到氣味分子、腦神經把嗅覺傳到位在鼻子後方的嗅小球、嗅小球再經由軸突投射到蕈狀體的接收區域,由蕈狀體進行分析。

設計雷射追蹤系統 解密果蠅記憶形成

不知道你是不是和我一樣,對於果蠅能如此細緻處理氣味的過程感到驚豔,如果是的話那你可能有所不知,其實果蠅和人類一樣,還可以記住一些事情,特別是怎麼「找對象」。

果蠅求偶有很多個階段,有時會以環繞或追逐等行為接近母果蠅,距離較遠時公果蠅會以振翅發出聲音吸引異性,接近母果蠅後改成單翅(就像是舉手跳舞希望女生看見那樣啦~),更靠近則會以嗅覺或味覺來偵測母果蠅是不是已經交配過。「果蠅的行為其實很精細,不同的神經有不同的行為。」2008 年開始,朱麗安利用自己過去念機械的專長,與動機系博士班學生吳明親、光電所研究員林彥穎,共同開發「雷射追蹤果蠅系統」。這個結合生科、工程、電機的系統,可以讓科學家在自然環境中觀察腦神經如何操控公果蠅行為。

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。

看不懂嗎?馬上翻成白話文給你看。

實驗是這樣設計的:「我們以母果蠅為中心,向外畫 3.5 毫米的圓圈,只要公果蠅進入這個範圍,就用雷射打公果蠅直到他離開為止。」這個「阻止公果蠅找女友」的實驗,雖然聽起來有點殘酷,最後卻獲得不小成果。由於求偶行為屬於果蠅的主動式學習,朱麗安和她的研究團隊發現,用這種方式打果蠅,很快就能形成長期記憶、效果也比較持久(打一小時雷射、隔天還會記得),公果蠅很快就能學會不能太靠近母果蠅,否則會被打;相較於被動式學習(電擊配合味道,訓練果蠅討厭特定氣味)三小時訓練只能維持 24 小時,差異其實很大。經過 6 年的努力,加上實驗室新進成員蕭伯彥的幫忙,這個研究成果最後登上《美國國家科學院院刊》(PNAS)。

結合不同領域專長 開發實驗新工具

但這其實不是朱麗安第一次開發新工具,早在 2011 年,朱麗安還是清大生科研究所博士班二年級時,就曾與另一組動力機械系學生一同研發處女果蠅自動搜集器,顧名思義就是能自動篩選處女果蠅的機器,並獲得國家新創獎以及國際科技儀器新創獎首獎的肯定。

「我發現我的興趣是結合不同領域的專長,利用新技術開發新工具,希望能在生物研究上,創造新的突破。」目前還是博士班七年級學生的朱麗安,近期正和中研院合作開發超解析顯微鏡,希望能看見果蠅腦中更精細的結構。

旁敲側擊 間接回應社會需求

身為女性在生涯選擇上,難免面臨來自家庭的壓力。「我還是希望自己的研究跟人類生活有關聯」,深奧難懂大概是多數人談起科學的第一印象,大學念機械的朱麗安,半路才「出家」鑽研果蠅,在她眼裡的生物學比較直觀。「科學家透過模式生物了解神經控制行為的機制,過程中也會開發很多新工具,未來有機會可以應用到人類身上」。當然,模式生物離臨床的人體實驗還很遙遠,但科學上每一小步的前進,都是科學家千錘百鍊實驗的結果,有了模式生物,我們要理解複雜的人腦或許就不再是天方夜譚。

下回在家中看見小小果蠅,可別再只是覺得它惱人了!

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關於作者

彭 琬馨

琬馨

一路都念一類組,沒什麼理科頭腦,但喜歡問為什麼,喜歡默默觀察人,對生活中的事物窮追不捨。相信只要努力就會變好,相信科學是為了人而存在。 在這個記者被大多數人看不起的年代,努力做個對得起自己的記者。