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神經科學新技術─ 如何解開大腦的神祕訊息?

PanSci_96
・2016/08/27 ・4423字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 540 ・八年級
相關標籤: 神經 (87)

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圖/By Thomas Schultz – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

試想,如果一本書只能隨機讀取千分之一的文字,是要如何瞭解書中的內容呢?這是一直以來困擾科學家的問題──到底要如何大規模記錄每一個神經元所傳遞的訊號呢?

文/陳摘文|於台大與德國歌廷根大學取得電機學士與神經科學博士學位,畢業後到美國珍利亞研究所進行博士後研究,於 2015 年回臺任教,目前任職於國立陽明大學神經科學研究所。

每天當你睜開雙眼,流暢的高畫質影音便自動傳入你的大腦,毫不費力地,大腦對這巨量的訊息進行即時分析,辨識出影像中的每張面孔,跟記憶中上百張臉比對。依據過去的經驗,你做出了決定。你的念頭在一瞬之間抵達了位於左腦的語言皮質,在那裡合成出你的反應──「親愛的,早安。」這一切都發生在幾個毫秒之間,你的大腦是怎麼辦到的?

竊聽神經元訊號

人類的大腦由上千億顆神經細胞組成,每顆神經元的型態不盡相同,可是他們都透過調變細胞膜內外的電位差來傳遞訊號。一個多世紀以前,科學家就已經知道神經細胞的訊號,是以全有(1)或全無(0)的數位方式傳遞,猶如電腦的運作方式。神經細胞的 1,是大小約 0.1 伏特,持續約 0.001 秒的膜電位脈衝,科學家們稱之為「動作電位(action potential)」。

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動作電位示意圖。圖/By John Schmidt – Mars, GFDL, wikimedia commons.

一般認為,大腦神經元所有的溝通跟運算,都是透過動作電位來執行。這也難怪,一百多年來,科學家絞盡腦汁想要記錄神經元的電訊號,就如同特務在電話交換機夾上竊聽器一般,科學家在大腦中插入電極來竊聽神經元的秘密。可是,神經細胞的訊號非常微小,想要竊聽到單一細胞的訊號,電極必須要放在細胞旁邊,甚至要插到細胞裡面才行。然而,大腦像是個超高密度的積體電路,每立方公釐的組織裡擠著數萬個神經元。不夠微小的電極,或是實驗中最細微的震動,都是精密的神經網路最致命的殺手。

這些困難都難不倒鍥而不捨的神經科學家。隨著科技的發展,如頭髮一般細的微電極,超靈敏、低雜訊的放大器,以及穩定的機器手臂陸續發明。這讓科學家能將電極準確插入腦中,並在麻醉或甚至是清醒的大腦裡分離出單一神經元訊號,讓我們一窺大腦運作的秘密。到目前為止至少有十多位諾貝爾獎得主的研究(包括 2014 年生醫獎的 3 位獲獎者),都與神經電訊號的紀錄與分析有關。

然而,即使在科技進步的今天,用微電極記錄腦中的每一個神經細胞,仍然是遙不可及的夢想。因為這代表著要在腦中插入無數的電極,並精準放置在每個細胞旁邊。以目前最先進的電極陣列,在一立方公釐大小的空間裡最多能記到約十多顆神經元,只占總細胞數的千分之一。試想,如果一本書只能隨機讀取千分之一的文字,是要如何瞭解書中的內容呢?這是一直以來困擾科學家的問題──到底要如何大規模記錄每一個神經元所傳遞的訊號呢?

分子探針潛入細胞

如果有一種超小型探測器,小到能輕易的放到細胞裡,量測細胞的訊號並且用無線的方式傳送出來,這樣我們是否有機會大量竊取神經細胞的密碼呢?這聽起來像是天方夜譚,可是 2008 年諾貝爾獎得主錢永健(Roger Yonchien Tsien) 竟然在 20 多年前就想到了辦法。他的實驗室開發出一系列超小型的無線生理訊號探針。令人驚訝無比的是,這些探針竟然比細胞小了 1000 倍以上,而且可以由細胞自行合成,稱之為分子探針(molecular probe)。

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研發出分子探針的諾貝爾獎得主錢永健。圖/Prolineserver (talk) , GFDL 1.2, wikimedia commons.

生物學家很早以前就知道,細胞其實是複雜無比的微型工廠,無時無刻根據儲存在 DNA 序列中的基因藍圖,製造出細胞生存所需的超小型零件──蛋白質。根據不同 DNA 序列可製造不同的蛋白質,有的幫助細胞運送貨物,有的負責偵測細胞內的生理反應,有的協助細胞產生電訊號。

海洋生物學家下村脩(Osamu Shimomura)發現,海中水母的細胞竟然會製造可發出螢光的蛋白質。換句話說,早在千萬年前,演化的愛迪生就已經發明了超小型的分子燈泡,在黑暗中照亮著大海。錢永健有個充滿野心的想法:既然演化創造了能偵測生理反應的蛋白質,以及可發出螢光的蛋白質,我們是不是能結合這兩種蛋白的功能,把細胞內的生理訊號轉換成螢光的訊號,傳送給在細胞外觀察的科學家

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維多利亞多管發光水母(Aequorea victoria)。海洋生物學家下村脩就是從這種水母身上發現綠色熒光蛋白(Green Fluorescence Protein, GFP),而得到2008年的諾貝爾獎。圖/By Sierra Blakely, Attribution, wikimedia commons.

運用基因工程的技術,以及不斷的嘗試,錢永健的實驗室成功結合不同功能的蛋白質,創造出許多嶄新的螢光分子探針。這包括在 1997 年與宮脇敦史(Atsushi Miyawaki)首度發表的鈣離子螢光探針「變色龍(Cameleon)」。

Cameleon 是可由細胞自己合成的蛋白質分子,會根據周遭環境的鈣離子濃度,發出不同亮度的螢光。在細胞質內表現 Cameleon,科學家便可透過觀察細胞發出的螢光強弱,即時地推測細胞內鈣離子濃度的高低。在神經細胞之中,鈣離子濃度與細胞電訊號(即神經動作電位)有非常緊密的關連。每當神經細胞產生動作電位時,細胞內的鈣離子濃度都會有短暫且微小的上升。讀取這些細微的鈣離子濃度變化,將能讓科學家間接推知神經細胞所傳送的電訊號密碼。

超敏感螢光探針

在錢永健的 Cameleon 推出之後,日本的中井淳一(Junichi Nakai),德國的格里斯貝克(Oliver Griesbeck)等人陸續嘗試改良鈣離子螢光探針的敏感度,希望能將神經電訊號透過鈣離子探針轉換成光訊號。我在美國珍利亞研究中心(Janelia Farm Research Campus)進行的博士後研究,也以改良鈣離子螢光探針的敏感度為主題。運用大規模突變與自動化功能篩選,我們的團隊在 2013 年發表了新一代的超敏感鈣離子螢光探針 GCaMP6。GCaMP6 對微小鈣離子訊號的敏感度比過去提高了十倍之多。這讓科學家第一次能夠可靠地在活體動物的腦中偵測到單一細胞、單一個動作電位所產生的螢光訊號

用光學影像偵測神經訊號有什麼樣的好處呢?首先,非侵入式的螢光造影免除了插入電極造成的傷害。目前最常使用的雙光子顯微鏡技術,運用紅外線脈衝光來激發螢光分子,可穿透數十層的細胞,偵測到大腦皮質深處單一細胞的微弱螢光訊號。其次,光學顯微鏡可以清楚解析細胞的型態與位置,讓我們瞭解所記錄細胞的身份。最重要的,光學方法讓大規模的神經訊號讀取不再是夢想。運用基因轉殖,科學家可在腦中每一顆神經細胞都放入鈣離子偵測蛋白。結合視野較大的鏡頭,可同時記錄數百或數千顆神經細胞。這種紀錄規模是過去運用微電極所無法想像的。

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在活體老鼠上,運用螢光探針與雙光子顯微鏡,觀察大腦皮質中數百個神經細胞對視覺刺激的反應,不同顏色代表著對不同視覺刺激產生反應的細胞。變化,將能讓科學家間接推知神經細胞所傳送的電訊號密碼。圖/作者提供。

大規模讀取神經訊號

短短幾年間,運用螢光探針大規模讀取神經訊號的技術已被廣泛運用在果蠅、斑馬魚及小鼠等模式生物研究。去(2015)年 12 月,一個日本東京大學的團隊甚至將此技術成功運用在讀取靈長類動物的神經訊號。觀察活體腦中細胞的實驗大都需要在頭部固定的情況下進行,以避免影像的振動。但實驗者仍可透過虛擬實境,研究大腦對外界刺激的反應與編碼。當中野心最大的計畫之一,是由微軟共同創辦者艾倫(PaulAllen)資助 3 億美金的「大腦天文台(Brainobservatory)」計畫,期望用最新科技探索腦內的小宇宙。這個計畫的短期目標是對小鼠視覺皮層的編碼功能做一個徹底的繪測,採用的便是以鈣離子螢光探針進行大規模神經紀錄的方法。

螢光探針的發展讓我們輕易的記錄腦中上千顆神經細胞的訊號,可是全腦的神經細胞還是遠大於這個數量──我們有辦法觀察腦中每一個神經細胞的訊號嗎?

2013 年, 美國阿倫斯(Misha Ahrens)與凱勒(Philipp Keller)的團隊運用鈣離子螢光探針及光片照明顯微術(Light sheet microscopy),在斑馬魚幼魚中成功地達成了這個歷史性的目標。斑馬魚幼魚的皮膚與大腦都接近透明,整個大腦的長寬不到 0.8 mm,厚度不到 0.3 mm,總共約只有 10 萬顆神經細胞。利用轉基因的方式,他們在幼魚腦中每一顆細胞中都植入了鈣離子敏感的螢光蛋白。結合超高速影像系統,他們幾乎可同時觀察腦中所有神經細胞的活性。

  • 左側是使用鈣離子螢光探針及光片照明顯微術所觀測到的腦神經細胞

在實驗當中,幼魚被包埋在透明凝膠中無法自由移動。可是透過紀錄控制肌肉的運動神經,實驗者可以推知小魚「希望」往前游,往右轉或是往左轉。運用這種方法,這兩人的團隊解析了幼魚腦中將外界刺激轉換成行為控制訊號的完整迴路。在達成記錄斑馬魚全腦神經細胞的里程碑之後,科學家們正致力發展更新的技術,希望能在哺乳類動物(如小鼠)的腦中上也能夠記錄所有神經細胞。

相較於斑馬魚,小鼠大腦與人腦更為接近。而且許多神經退化與精神方面的異常,都可以在小鼠上進行模擬。如果能在清醒的小鼠腦中全面記錄分析每個細胞的功能,或許我們能夠更進一步找出失憶症、自閉症、憂鬱症或知覺失調症的大腦中,究竟出了什麼樣的問題。

突破活體觀察的障礙

然而,即便是小鼠,同時觀察腦中所有的神經細胞仍是目前無法達到的目標。小鼠的腦比斑馬幼魚的腦大了上千倍,共有約 7000 萬顆細胞。目前用光學技術能夠觀察到的細胞,仍侷限於最表面的大腦皮質。較深的腦區,如掌管記憶的海馬迴與掌管情緒的杏仁核等,仍需透過安裝較為侵入式的內視鏡才可觀察。主要原因是光線通過大腦組織時會產生散射,無法在腦中深處聚焦成清晰的影像。最近雖然有許多實驗室發展出讓腦組織變成透明的方法,如史丹福大學戴瑟若斯(Karl Deisseroth)的 Clarity,與清大江安世院士的 Focus clear 等,可是這些技術都只能用在死去的組織,而無法用在活體的觀察。

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史丹福大學戴瑟若斯教授所研發的CLARITY技術,可觀察腦部組織切片,神經透過不同螢光染色的3D影像。圖/By Source (WP:NFCC#4), Fair use, wikimedia commons.

目前有許多正在進行中的研究正嘗試著提高活體螢光影像的觀察深度。這包括從天文物理學借來的「適應性光學(adaptive optics)」技術。天文學家在使用地表望遠鏡觀察遠處的星體時,也同樣面臨了光線通過大氣層散射造影像模糊的問題。適應性光學於是利用可任意變形的鏡子,補償不同路徑光線的相位,重新達成聚焦。透過這樣的方式,神經工程學家希望能透視到更深的腦區。

除此之外,還有透過三光子激發、光聲造影等方式來提高影像深度。但這些方法都需要同時發展能配合的分子探針。或許不久的將來,活體光學影像的觀察深度又將有巨大的突破。不論這些技術最終如何發展,可以確定的是,在物理、生物、工程、分子、認知等領域的通力合作之下,腦科學的研究與發現將不斷帶給我們更多驚奇與讚嘆。

本文原刊載於《科學月刊》2016 年 7 月號,由作者授權刊出。

延伸閱讀

  1.  Chen, T-W et al., Ultrasensitive fluorescent proteins for imagingneuronal activity, Nature, Vol. 499(7458): 295-300, 2013.
  2.  Ahrens, M. B. et al., Whole-brain functional imaging at cellularresolution using light-sheet microscopy, Nature Methods, Vol.10: 413-420, 2013.
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人造腦挑戰 AI!培養皿中的腦組織+腦機介面能打敗電腦嗎?
PanSci_96
・2023/05/27 ・3178字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2023 年 2 月底, 約翰霍普金斯大學教授 Thomas Hartung 帶領研究團隊,發表了「類器官智慧」(Organoid intelligence , OI)的研究成果,希望利用腦類器官加上腦機介面,打造全新的生物計算技術。

我們終於要製造人工大腦了嗎?OI 和 AI,誰會成為未來主宰?

類器官智慧 OI 是什麼?目標為何?

2023 年的現在,AI 就已展現了不少驚人的實際成果;相較之下, OI 仍只是一個剛起步的計畫,甚至連名稱都與 2018 年美國《自然—物理學》期刊專欄作家、物理學家布坎南以 Organoids of intelligence 作為標題的文章幾乎一樣。

類器官智慧、Organoid intelligence、OI 是個很新的跨領域名詞,同時結合了「腦類器官」和「腦機介面」兩個領域的技術。

簡單來說,腦類器官就是指透過培養或誘導多能幹細胞(iPSCs),在模擬體內環境的旋轉生物反應器中,產生的腦組織。這項聽起來好像只會出現在科幻電影裡的技術,確實已經存在。

最早的腦類器官是在 2007 年,日本 RIKEN 腦研究所的笹井芳樹和渡辺毅一的研究團隊,成功從人類胚胎幹細胞培養出前腦組織。第一個具有不同腦區的 3D 腦類器官則是發表在 2013 年的《Nature》期刊,由奧地利分子技術研究所的尤爾根.科布利希和瑪德琳.蘭開斯特研究團隊成功建立。

腦類器官的出現,在生物與醫學研究中有重大意義,這代表未來科學家們若需要進行大腦相關的研究,再也不用犧牲實驗動物或解剖大體老師來取得人類大腦,只需要在培養皿就製造出我們要的大腦即可。

儘管培養皿上的組織確實是大腦組織,但不論是在大小、功能,以及解剖構造上,至今的結果仍遠遠不及我們自然發育形成的大腦。因此要達到 OI 所需要的「智慧水準」,我們必須擴大現有的腦類器官,讓他成為一個更複雜、更耐久的 3D 結構。

要達到 OI 所需的「智慧水準」,必須擴大現有的腦類器官,成為一個更複雜的 3D 結構。圖/GIPHY

而這個大腦也必須含有與學習有關的細胞和基因,並讓這些細胞和 AI 以及機器學習系統相連接。透過新的模型、演算法以及腦機介面技術,最終我們將能了解腦類器官是如何學習、計算、處理,以及儲存。

OI 是 AI 的一種嗎?

OI 能不能算是 AI 的一種呢?可說是,也不是。

AI 的 A 指的是 Artificial,原則上只要是人為製造的智慧,都可以稱為 AI。OI 是透過人為培養的生物神經細胞所產生的智慧,所以可以說 OI 算是 AI 的一種。

但有一派的人不這麼認為。由於目前 AI 的開發都是透過數位電腦,因此普遍將 AI 看做數位電腦產生的智慧—— AI 和 OI 就好比數位對上生物,電腦對上人腦。

OI 有機會取代 AI ?它的優勢是什麼?

至於為何電腦運算的準確度和運算速度遠遠高於人腦,最主要原因是電腦的設計具有目的性,就是要做快速且準確的線性運算。反之,大腦神經迴路是網狀、活的連結。

人類本身的基因組成以及每天接收的環境刺激,不斷地改變著大腦,每一分每一秒,我們的神經迴路都和之前的狀態不一樣,所以即使就單一的運算速度比不上電腦,但人腦卻有著更高學習的效率、可延展性和能源使用效率。在學習一個相同的新任務時,電腦甚至需要消耗比人類多 100 億倍的能量才能完成。

神經網路接受著不同刺激。圖/GIPHY

這樣看來,至少 OI 在硬體的效率與耗能上有著更高優勢,若能結合 AI 與 OI 優點,把 AI 的軟體搭載到 OI 的硬體上,打造完美的運算系統似乎不是夢想。

但是 OI 的發展已經到達哪裡,我們還離這目標多遠呢?

OI 可能面臨的阻礙及目前的發展

去年底,澳洲腦科學公司 Cortical Labs 的布雷特.卡根(Brett Kagan)帶領研究團隊,做出了會玩古早電子遊戲《乓》(Pong)的培養皿大腦—— DishBrain。這個由 80 萬個細胞組成,與熊蜂腦神經元數量相近的 DishBrain,對比於傳統的 AI 需要花超過 90 分鐘才能學會,它在短短 5 分鐘內就能掌握玩法,能量的消耗也較少。

現階段約翰霍普金斯動物替代中心等機構,其實只能生產出直徑大小約 500 微米,也就是大約一粒鹽巴大小的尺寸的腦類器官。當然,這樣的大小就含有約 10 萬個細胞數目,已經非常驚人。雖然有其他研究團隊已能透過超過 1 年的培養時間做出直徑 3~5 毫米的腦類器官,但離目標細胞數目 1000 萬的腦類器官還有一段距離。

為了實現 OI 的目標,培養更大的 3D 腦類器官是首要任務。

OI 的改良及多方整合

腦類器官畢竟還是個生物組織,卻不像生物大腦有著血管系統,能進行氧氣、養分、生長因子的灌流並移除代謝的廢物,因此還需要有更完善的微流體灌流系統來支持腦類器官樣本的擴展性和長期穩定狀態。

在培養完成腦類器官以及確定能使其長期存活後,最重要的就是進行腦器官訊息輸入以及反應輸出的數據分析,如此我們才能得知腦類器官如何進行生物計算。

受到腦波圖(EEG)紀錄的啟發,研究團隊將研發專屬腦類器官的 3D 微電極陣列(MEA),如此能以類似頭戴腦波電極帽的方式,把整個腦類器官用具彈性且柔軟的外殼包覆,並用高解析度和高信噪比的方式進行大規模表面刺激與紀錄。

研究團隊受腦波圖(EEG)紀錄的啟發。圖/Envato Elements

若想要進一步更透徹地分析腦類器官的訊號,表面紀錄是遠遠不夠的。因此,傷害最小化的的侵入式紀錄來獲取更高解析度的電生理訊號是非常重要的。研究團隊將使用專門為活體實驗動物使用的矽探針Neuropixels,進一步改良成類腦器官專用且能靈活使用的裝置。

正所謂取長補短,欲成就 OI,AI 的使用和貢獻一點也不可少。

下一步,團隊會將進行腦機介面,在這邊植入的腦則不再是人類大腦,而是腦類器官。透過 AI 以及機器學習來找到腦類器官是如何形成學習記憶,產生智慧。過程中由於數據資料將會非常的龐大,大數據的分析也是無可避免。

隨著 AI 快速發展的趨勢,OI 的網路聲量提升不少,或許將有機會獲得更多的關注與研究補助經費,加速研究進度。更有趣的是,不僅有一批人希望讓 AI 更像人腦,也有另一批人想要讓 OI 更像電腦。

生物、機械與 AI 的界線似乎會變得越來越模糊。

OI=創造「生命」?

生物、機械與 AI 的界線越來越模糊。圖/Envato Elements

講到這裡,不免讓人擔心,若有一天 OI 真的產生智慧,我們是否就等於憑空創造出了某種「生命」?這勢必將引發複雜的道德倫理問題。

雖然研究團隊也強調, OI 的目標並不是重新創造人類的意識,而是研究與學習、認知和計算相關的功能,但「意識究竟是什麼」,這個哲學思辨至今都還未有結論。

到底懂得「學習」、「計算」的有機體能算是有意識嗎?如果將視覺腦機介面裝在 OI 上,它是否會發現自己是受困於培養皿上,被科學家們宰割的生物計算機?

不過這些問題不僅僅是 OI 該擔心的問題,隨著人工智慧的發展,GPT、Bing 和其他由矽構成的金屬智慧,隨著通過一個又一個智力、能力測試,也終將面臨相應的哲學與倫理問題。

最後,Neuralink 的執行長馬斯克說過(對,又是他 XD),人類要不被 AI 拋下,或許就得靠生物晶片、生物技術來強化自己。面對現在人工智慧、機械改造、生物晶片各種選擇擺在眼前,未來你想以什麼樣的型態生活呢?

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采采蠅與寄生蟲,以及空氣中的油膩愛情
寒波_96
・2023/04/04 ・4059字 ・閱讀時間約 8 分鐘

非洲的采采蠅(tsetse fly)以吸血維生,但是它們也時常是錐蟲的宿主,如果吸食人血,便有機會將錐蟲傳染給人類,引發昏睡病,在非洲導致不少問題。

昆蟲常以費洛蒙作為溝通媒介,采采蠅也不例外。2023 年發表的新研究,找到幾款采采蠅使用的費洛蒙,能促進情慾交流;而且又發現感染錐蟲會改變費洛蒙組成,求偶時還會降低身價。

在非洲體驗大自然,務必注意采采蠅!圖/TripSavvy / Nez Riaz 

昆蟲的氣味語言

舌蠅屬(Glossina)旗下有多個物種統稱「采采蠅」,這項研究著重的是 Glossina morsitans,為求簡便,本文之後直接稱之為「采采蠅」。要注意還有不一樣的其他款采采蠅,本文後面會登場一種。

費洛蒙是生物排放到體外,用於溝通的訊號分子,可謂是昆蟲的化學語言。一如人類的花言巧語或暴言各有巧妙,各種昆蟲使用不同費洛蒙,能達到不同效果。

從前對采采蠅的費洛蒙也不是一無所知,以前知道有一種化學分子 15,19,23-trimethylheptatriacontane,也叫作 morsilure,被采采蠅當作費洛蒙。此分子是主鏈為 37 個碳鍊長,總共有 40 碳的脂肪酸衍生物,而且含量非常多,5 天大的女生超過 4 mg。

有些費洛蒙輕盈,可以揮發;也有的飄不起來,要直接接觸。40 碳的分子體重太胖,只能直接碰觸,可以說是一種接觸式的油膩情慾。

傳宗接代,迅速而持久

新研究的目標是探討:采采蠅是否存在揮發性費洛蒙,又如何作用。比較效果之前,要先了解采采蠅情慾交流的正常狀況。

把沒有性經驗的一男一女擺在一起,20 組幾乎都迅速合體,在 15 秒內開始啪啪啪(請自行腦補音效);而且平均 do 愛 58.5 分鐘之久,持久力一級棒。

讓一女一男共處一室,紀錄它們的交配過程。所有沒有性經驗的采采蠅,都在幾分鐘內合體,延續超過 55 分鐘。圖/參考資料1

拿來對照的對象,是常被當作實驗動物的黃果蠅(Drosophila melanogaster)。黃果蠅和采采蠅雖然都叫蠅,但是親戚關係比人和猩猩之差還要遠,不是最合適的比較對象,不過是最方便取得的材料。

黃果蠅平均要等 22 分鐘才男女合體,維持 20 分鐘左右,明顯不如采采蠅對性的渴望。然而,采采蠅的實驗,假如一方換成交配過的女生,原本興致高昂的男生竟然會完全不想 do 愛,判若兩蠅。

總之,采采蠅情慾交流的正常狀態是,由男生向女生求偶,女生很快接受。過程中吸引男生辨識的「女蠅味」是哪些費洛蒙呢?

空氣中充滿愛情的味道

采采蠅的費洛蒙是脂肪酸衍伸物,和果蠅、螞蟻一樣,能用有機溶劑己烷(hexane)分離。

可是一開始實驗,把接觸采采蠅 10 分鐘的己烷塗在棒棒上,結果不論是有或沒有性經驗的男女,4 類原味樣品對男生都毫無吸引力。

做過實驗都知道,沒反應不能寫論文 💔。所以又把搜集費洛蒙的時間延長到 24 小時,這下就對惹 ❤️!

觀察得知,沒有性經驗的處女原味,能吸引 60% 男生;有性經驗的女生則是 27%;男蠅味對男生依然缺乏吸引力。

把采采蠅身上萃取的氣味,塗在棒棒上,觀察是否會吸引采采蠅。圖/參考資料1

「女蠅味」具體是什麼呢?用氣相層析質譜儀(Gas Chromatography Mass Spectrometry,簡稱 GC-MS)分離可得到 6 種化學物質。

3 種是脂肪酸:16 碳的棕櫚酸、棕櫚油酸,以及 18 碳的油酸。3 種是脂肪酸加上甲基酯(methyl ester)的衍生物:methyl palmitoleate(MPO)、methyl oleate(MO)、methyl palmitate(MP)。

就算是做這一行的,大部分也會覺得那一串名詞彷彿火星文,反正就是好幾種結構略有不同的油。但是以訊號分子來說,重點不是有多油膩,而是這些分子會啟動哪些神經反應,又影響哪些行為。

費洛蒙有時候化學結構只差一點點,意義完全不同,就像人類講話,「我日常生性活潑,想要多交朋友」和「我日常性生活潑,想要多交朋友」意思就很不一樣。

采采蠅身體外,存在感最明顯的 6 種分子,包括 3 種脂肪酸以及 3 種脂肪酸衍生物。圖/參考資料1

饞她身子的味道,油膩的情慾語言

女蠅味 6 種成分逐一測試,女生們完全不為所動。至於男生,3 款脂肪酸都缺乏吸引力,不過 3 款衍生物都有吸引力,尤其是塗抹 MPO 的棒棒,能吸引 87% 男生,效果最強(有人覺得奇怪,比前述實驗 60% 更高嗎?應該是因為濃度更高,效果更強)。

費洛蒙有具體的收訊器,訊號應該是透過觸角(antenna)上的感覺受器傳達,因為如果把觸角切除,男生也不會起反應。

為了進一步認識費洛蒙的效果,研究者又將費洛蒙塗在近親物種 Glossina fuscipes 身上。正常時這次的主角 Glossina morsitans 采采蠅男生,對異種女生不會有性趣;但是近親女 MPO 上身後,有 60% 男生會撲上來。

可見單單 MPO 這種化學分子,便對男生有強烈的誘惑力。可是這只是單方面的喜歡,近親女依然對異種男生毫無感覺,會把他們馬上踢開。

感受情慾的神經元

不一樣的費洛蒙,會激發不同感覺神經元,就像把某個開關打開。采采蠅的觸角上有許多微小的感覺零件(sensilla),各自配備不同的受器神經元。被激發的 sensilla 上存在兩款神經元 A 與 B,對不同物質起反應。

MPO 會刺激 B 神經元,而且分隔一段距離,透過氣流傳送便有效果。由此判斷 MPO 是揮發性作用的費洛蒙。

但是同樣的距離,MO 與 MP 都不起反應。不過縮短到距離 1mm 後,MP 就能刺激 B 神經元,MO 則能同時刺激 A 與 B。這兩款費洛蒙僅管結構類似 MPO,卻要近到快直接接觸才有作用。顯然這種事不能看結構鍵盤辦案,要實測才知道。

測試費洛蒙是否可以透過氣流飄送,只有 MPO 能在比較遠的距離起作用。圖/參考資料1

奇妙的是,這些費洛蒙對近親物種 Glossina fuscipes 的神經元,幾乎都不起作用。因此上述費洛蒙與受器的組合,僅限於 Glossina morsitans 這款采采蠅,和其他物種未必有共通語言,近親即使收到也理解不能。

寄生錐蟲降低身價,采采蠅也是受害者

不少采采蠅體內存在錐蟲,吸血時成為傳播媒介。檢驗發現,錐蟲對采采蠅的影響也非常明顯,會大幅影響求偶選擇。

采采蠅的求偶是男生提出要求,女生決定是否接受。觀察得知,有或沒有感染的兩男,如果和處女共處一室,女生接受兩者的機率差異不多。但是有或沒有感染的兩女,給男生選擇,男生 100% 挑選沒有感染的女生。

這麼看來,有錐蟲寄生的女生,在男生眼中是比較差的對象,但是不知道男生如何分辨。費洛蒙方面,被寄生的采采蠅又會多出 21 種揮發性小分子,也許有所影響,可惜這些氣味的具體作用仍不清楚。

采采蠅感染錐蟲與否,費洛蒙們明顯有別。圖為氣相層析在不同時間點,陸續分離出的分子,感染錐蟲的采采蠅多出許多種分子。圖/參考資料1

上述結果都是實驗室中的測試。采采蠅在野外活動時,或許大部份候選蠅都是感染錐蟲的不理想對象。野生的采采蠅實際上如何擇偶,也許是另一番光景。不過應該能推測,它們也不喜歡錐蟲。

食慾與情慾的開關一同打開,吃飯,順便do愛?

野生的采采蠅,要自己尋找對象。最容易碰到異性的場合是采采蠅餐廳,也就是被吸血的動物周圍。實際觀察到,采采蠅常常在獵物附近順便情慾交流。

動物散發的氣味分子,就像餐廳飄出的香味,吸引采采蠅前來覓食。有趣的是,獵物排放的 4-methylphenol、1-octen-3-ol 兩種揮發性物質,和采采蠅的揮發性費洛蒙 MPO 使用同一套神經受器。

或許采采蠅去吃飯,開啟食慾的同時,也一同釋放情慾的開關。交配和吃飯是兩回事,如果能一次滿足,也很棒。

如果對氣味在各種生物的角色有興趣,可以閱讀科普書你聞到了嗎?:從人類、動植物到機器,看嗅覺與氣味如何影響生物的愛恨、生死與演化》。

延伸閱讀

參考資料

  1. Ebrahim, S. A., Dweck, H. K., Weiss, B. L., & Carlson, J. R. (2023). A volatile sex attractant of tsetse flies. Science, 379(6633), eade1877.
  2. Chemical notes of tsetse fly mating

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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來當個「嗅」外慧中的「嗅」才!——《你聞到了嗎?》書評
臉譜出版_96
・2023/02/07 ・2160字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 文/黃貞祥

作夢時,會有很多畫面,也會聽到許多應該和不該聽到的聲音,就像看電影時一樣,卻不太會聞到什麼氣味,除非看的是 4DX 場吧?

我自己沒印象有做過什麼有氣味的夢,可是說不定我是忘記了,還是害怕想起來?

因為夢幻泡影,如霧又如電,我也無法確定作夢時究竟有沒有感受到氣味,但是如果沒有,我也不感到太意外。說不定,就因為氣味太攸關生死了,夜裡突如其來的怪味,如果還以為是夢中的體驗,那麼在夢中有嗅覺而搞不清楚危機迫在眉睫的人,在遠古時代年紀輕輕就可能死無葬身之地了吧,更遑論傳宗接代。

然而,德國哲學大師康德(Immanuel Kant,1724–1804)卻指出,嗅覺是我們的感官中最不被重視、最容易被認作是可有可無的部分。

嗅覺與記憶的關聯最深

其實,在五官的感受中,嗅覺和記憶的關聯最深,幾乎所有談嗅覺的科普書,都會提到法國文學大師馬塞爾.普魯斯特(Marcel Proust,1871-1922)共計七卷的意識流小說經典——《追憶似水年華》(À la recherche du temps perdu)中的第一卷的開場,他用了整整四頁細緻地描述熱茶的餘韻和瑪德蓮的滋味,讓過往記憶歷歷在目。這本《嗅覺不思議:從變化中的氣味,到人類與各種生物驚人的氣味軼事,探索你不知道的嗅覺世界》(Smelling to Survive:The Amazing World of Our Sense of Smell)也不例外。

然而,沒喝過熱茶和嚐過瑪德蓮,要如何設身處地想像主角的經驗呢?聲音原本在保存上,一直有一個重大的缺陷,就是我們可以用各種顏料和墨水模仿所看見的世界,可是聲音除了口耳相傳或者特製的樂器長期訓練,是難以忠實地記錄和保存的。樂譜也只能讓人再現我們少數能聽見的部分聲音,一直到愛迪生(Thomas Edison,1847-1931)發明了留聲機,才改變了一切。 可是,我們有辦法把我們的嗅覺體驗輕易記錄並複製嗎?

只有依樣畫葫蘆地把能發出那些氣味的東西擺到我們面前,無論它們是天然的,還是需要精心製作的,才能讓鄉民共襄盛舉吧?甚至到了科技發達的今天,我們隨手就能用手機記錄下影音,並且傳送給親朋好友,可是卻還是拿氣味沒辦法。於是,嗅覺這個我們應該很熟悉,甚至更能喚起我們熟悉記憶的感覺,卻真如康德主張的那樣,被我們長期漠不關心。

聞不到也必須要知道

沒關係,這本《嗅覺不思議》肯定能讓你喚起和氣味有關的回憶。作者比爾.漢森(Bill S. Hansson)是瑞典裔神經行為學家。從 2014 年 6 月到 2020 年 6 月,他擔任了德國普朗克研究院的副院長,這是一個類似台灣中央研究院的大型學術研究機構,但規模更龐大,在德國各地設立了八十個研究所。 

漢森在瑞典隆德大學獲得生物學學士學位。1988 年,他取得了生態學的博士。 他在美國亞利桑那大學完成博士後研究後,1990 年回到隆德大學擔任教。從 2001 年起,他在瑞典阿爾納普的瑞典農業科學大學擔任教授和化學生態學系主任,直到 2006 年擔任德國耶拿的普朗克化學生態學研究所的主任並主持演化神經行為學實驗室。

漢森的研究重點是昆蟲間和昆蟲與植物互動的神經生態學。他主要研究昆蟲的嗅覺,他探討昆蟲如何使用觸角及觸鬚探測氣味、這些探測和處理系統如何演化,以及嗅覺如何影響昆蟲的行為。他還把昆蟲的系統與其他陸生節肢動物進行比較,如澳洲聖誕島的強盜蟹。他在書中還坦承,為了得知強盜蟹愛吃的山棕果實的滋味,他偷吃了一顆,中了毒,險些喪命。

當然,那些強盗蟹吃了山棕果實後仍老神在在。漢森實驗室探究了強盜蟹用來處理嗅覺訊息的一大半腦袋。其實,我也是讀了這本《嗅覺不思議》才知道,原來我們在現今旳人類世,在大氣和海洋中產生了大量氣味變化,對野生動物來說造成了多大的困擾,這也是過去環境保護議題較少著墨的。

對氣味不敏感的人類

雖然我們人類相較其他許多動物,尤其是狗,能嗅聞到的氣味較少,可是香氛產業還是靠販售香噴噴的產品發大財。更少人注意到的是,飲食業其實也是如此。《嗅覺不思議》舉例說明,如果把我們的鼻子夾住,很多人根本嚐不出番茄醬和芥末醬的差異。我們能夠品嚐到許多令人食指大動的美食風味,主要是靠我們的鼻後嗅覺,也就是說我們在大快朵頤時,許多美妙的感受不僅來自舌尖,而是飄散到我們鼻腔中的氣味,就因為我們少了一塊把嘴巴和鼻子分開的「橫盤」(transverse lamina)這種骨頭。演化生物學家羅伯.唐恩(Rob Dunn)與愛妻人類學家莫妮卡.桑切斯(Monica Sanchez)在《舌尖上的演化:追求美味如何推動人類演化、演化又如何塑造飲食文明?》對此有許多討論。

另外,雖然我們嗅不到費洛蒙,在我們尋找伴侶時也幫上大忙哦!漢森在《嗅覺不思議》也試圖破除一些迷思,例如鳥類其實沒什麼嗅覺能力這事,搞半天原來純粹是基於早期充滿偏頗的觀察,果真是「盡信書不如無書」。除了嗅聞高手狗狗和原本被誤解的鳥類,漢森還舉了其他大量動物界,甚至還有植物的案例,讓我們了解嗅覺究竟有多重要。

身為一位嗅覺專家,漢森也探討了我們能夠如何利用嗅覺造福人群,讓我們不僅耳聰目明地探索這個多姿多彩的世界,也能在芬芳馥鬱、沁人心脾的環境中怡然自得、心曠神怡。

——本文為《你聞到了嗎?:從人類、動植物到機器,看嗅覺與氣味如何影響生物的愛恨、生死與演化》書評,2023 年 1 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

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臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。