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看看你的腦袋裡,到底都裝了些什麼?——《科學月刊》

科學月刊_96
・2017/06/08 ・2798字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

文/林士傑|臺大醫學系畢,美國杜克大學神經生物學博士,現任美國國家衛生研究院研究員。

圖/Pixabay

大腦是個很奇妙的東西。人與所有動物的一舉一動幾乎都跟大腦和神經系統脫不了關係,無論是任一種感官(視覺、聽覺、觸覺、嗅覺)、動作、思緒(注意力、學習、記憶、判斷)、情緒,乃至於每一個判斷與決定,都和大腦息息相關。就算試著休息放空腦袋,大腦還是控制了呼吸、心跳、睡眠,乃至於所有基本的生理需求(餓、渴、性)。

一旦大腦的運作偏離了常軌,各式各樣的問題隨之而生:像是思覺失調、憂鬱、焦慮、注意力失調與過動、失智、帕金森氏症、癲癇、藥物成癮等。大腦裡面到底裝了些什麼東西,讓它可以負責這麼多的行為與認知功能?這是系統神經科學(systems neuroscience)所要回答的根本問題。

腦啟動計畫:把大腦當成一部電腦

近幾年來,世界各國都投入大量的資源以進行系統神經科學研究,美國的腦啟動計畫(Brain Initiative)是其中最大規模的計畫。由於大腦是由一個個神經元(神經細胞)所組成,而神經元透過電訊號彼此傳遞訊息,腦啟動計畫背後根本的想法便是將大腦當成一部電腦來理解,把大腦看成是一個處理訊息的複雜電路:當外界的資訊接觸到我們的身體,感官系統開始處理這些訊息,各種認知功能加入運作,依照身體內在的狀態與需求,做出適切的反應與決定。在這複雜的大腦電路裡,每一種行為與認知功能,都有其相對應的特殊神經迴路。

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在這複雜的大腦電路裡,每一種行為與認知功能,都有其相對應的特殊神經迴路。圖/Wei-Chung Allen Lee, Hayden Huang, Guoping Feng, Joshua R. Sanes, Emery N. Brown, Peter T. So, Elly Nedivi, CC BY 2.5, wikimedia commons

在這個脈絡下,研究大腦的首要工作是得了解電路基本元件的特性跟電路設計圖。腦啟動計畫即是由此展開,確立幾個重要的研究目標:

  1. 辨識不同種類的神經元,這好比釐清電路裡各種基本元件
  2. 建立腦中神經網路的連結圖譜,像是建構大腦裡面複雜的電路圖
  3. 記錄大批神經元在各種行為及認知功能下的活性,等同於透過觀察的方式來理解大腦電路的運作方式
  4. 透過直接改變神經元活性的技術,探討神經元活性與各種行為及認知功能間的因果關係
  5. 建立統合性的腦功能理論以及分析大量資料的工具
  6. 將基礎研究的成果推展至人腦方面的疾病治療與預防

腦啟動計劃所需要的各項技術,尤其是標定各種神經元、記錄以及改變其活性的方法,在過去十年來都有革命性的發展。舉例來說,透過分子遺傳學的技術,現在已經可以在小鼠模型中精準標定各個種類的神經元,並在其中表達量身訂做的新式分子工具,包括光遺傳學(optogenetics)中的各種光控離子通道,或是超敏感螢光探針。

光遺傳學這個新技術讓研究者可以透過光照來活化不同的離子通道以控制(增強或是抑制)神經元的活性,是測試神經元活性與各種行為及認知功能因果關係的重要工具。新式螢光探針,譬如新近研發的 GCamp6,則提供了一個用光學顯微鏡大規模記錄神經元活性的途徑。

另外,利用微電極直接記錄神經元活性的電生理技術也有長足的進步,同時記錄上百個神經元的技術已經普及,記錄上千個甚至上萬個神經元的技術也已問世。這些新技術讓系統神經科學進到前所未有的境地。

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行為與認知功能的重要性

有了這些新技術,就足以了解大腦運作的機轉嗎?最近兩篇論文對這問題提出新的觀點。

在第一篇裡,喬納斯(Eric Jonas)與科丁(Konrad Kording)把研究大腦的分析工具,拿來研究一個播放電動玩具的電腦晶片。他們想要知道這些分析工具是否足以理解一個簡單的電腦晶片。他們把電腦晶片裡的電晶體,當成是一個個的神經元,透過電腦模擬來觀察個別電晶體的活性,同時也在模擬過程中把個別電晶體移除,來檢視他們對電腦晶片整體運作的因果關係。換句話說,喬納斯與科丁希望透過觀察電晶體裡面數位信號的流動,來了解電腦晶片的運作的原理。

然而實驗結果讓人失望:雖然喬納斯與科丁觀察到有趣的電晶體活性,但是整體來說這些分析工具並無法理解電腦晶片的運作邏輯。如果連一個小晶片都搞不定,系統神經科學家真有可能理解大腦的運作方式嗎?

在另外一篇論文裡,克拉考爾(John Krakauer)跟他的同事們提出不同的看法。他們認為問題的癥結,在於「見樹不見林」。克拉考爾等人認為要理解播放電動玩具的電腦晶片,不能把研究的層面侷限在電晶體活性(樹)。要跳脫這侷限,需要的是直接觀察玩家打電動,才能從中整理出電玩的抽象遊戲規則(林)。這些高層次的規則可以幫助研究者回頭去理解電晶體活性,從而推導出電腦晶片的運作原理。

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同樣的道理,如果要了解大腦主管運動的區域是怎麼控制雙腳行走,必須從研究人走路開始,從中萃取出走路這行為的自由度與必要的控制參數,才能回頭去釐清大腦神經元活性是怎麼控制雙腳行走。換句話說,如果研究者從來沒有研究過人走路的樣子,就算新的技術能夠完全的釐清所有神經元的種類,也建立完整的連結圖譜,並能夠同時記錄所有神經元的活性,這些資訊本身仍不足以了解與想像走路是怎麼一回事。克拉考爾的論證對於系統神經科學的啟示在於:在致力發展新技術以記錄更多更精確的神經元活性的同時,系統神經科學家也必須要用同樣的高規格來研究行為與認知功能。唯有理解行為與認知功能背後的規律跟規則,才有可能了解大腦解決這些問題的機轉。

如果要了解大腦主管運動的區域是怎麼控制雙腳行走,必須從研究人走路開始。圖/By Ballookey Klugeypop @ flickr, CC BY-NC-ND 2.0

跨領域整合需要理工專長

總括來說,新技術的快速發展讓系統神經科學正進入一個前有未見的黃金年代。要了解大腦的運作機轉,需要的不僅是生物醫學相關的背景,同時也需要數理、電機、資工、機械的專長,一起加入跨領域的研究行列。系統神經科學,不但需要生物學的專長在實驗動物模型中從事基礎系統神經科學研究,也需要認知科學與心理學來剖析認知功能與行為背後的成因與細節;以及臨床醫師(包括精神科、神經科、神經外科、復健科)的參與,將研究成果應用到病人身上。

系統神經科學同時也需電機專長來研發新的電生理與光學紀錄系統;需要統計學來處理大規模的數據分析;需要電腦與資訊科學將大腦運作的巧妙機轉運用到人工智慧跟類神經網路的設計;以及機械專長來將記錄到的神經訊號透過腦機介面的技術(brain-machine interface)來控制義肢或機械手臂,或是控制新研發的醫療儀器。這些跨領域整合的例子開展了許多新的研究方向,而其中理工專長的研究人員更是對於新技術的發展有莫大的貢獻,這是值得臺灣研究機構、大學系所、教授以及新進學生共同思考的趨勢。


〈本文選自《科學月刊》2017 年 5 月號〉

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入不惑之年還是可以當個科青

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神經元如何發展成神經網絡?神經元為「愛」向前的奇妙旅程
研之有物│中央研究院_96
・2023/05/12 ・4787字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/歐宇甜
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

分子生物研究所所長程淮榮與軸突導向研究

在我們大腦裡面,有各式各樣的神經元。神經需要彼此連結才能發揮作用,而神經元的軸突會去連接其他神經元的樹突,軸突跟樹突連在一起時,稱為突觸,神經連結也就此建立。過程說起來簡單,實際很複雜,例如軸突如何知道自己的目的地?軸突有沒有可能接錯對象?找到目標之後,神經元又是如何形成突觸呢?中央研究院「研之有物」專訪院內分子生物研究所所長程淮榮特聘研究員,他從研究多年的「軸突導向」題目出發,深入淺出地和我們解釋了神經元形成連結的過程。

神經需要彼此連結才能發揮作用,突觸是如何形成的呢? 圖/iStock

從神經元到神經網路,一切是如何開始的?

神經細胞又稱為神經元(Neuron),不會單獨存在,必須互相連結才能傳遞各種訊息,例如人腦有各式各樣的神經元,外型都不太一樣。神經元主要結構有細胞體(Cell body)和突起兩部分,細胞體中間是細胞核,突起則有兩種。軸突(Axon)能伸出去以連結其他神經元,將訊息傳遞出去,樹突(Dendrite)能接收其他神經元傳來的訊息,軸突跟樹突連在一起的接觸點稱為突觸(Synapse)。

兩個神經元彼此連結,軸突終點與樹突棘的接觸點為突觸。 圖|研之有物(資料來源/Current Biology

這張圖顯示神經元有不同構造,由左而右為:皮質神經元(Cortex)、小腦神經元(Cerebellum)以及視網膜神經元(Retina)。圖中神經元類型屬於投射神經元,軸突訊號將發送到細胞體之外,把訊息「投射」到遠處的神經元。
圖/Current Biology

和「研之有物」團隊簡介神經元彼此連結時,程淮榮笑著比喻:「我常說這像是神經元的愛情故事,形成突觸好比 Kiss(接吻),有了第一個、第二個連結,逐漸才構成有千萬個連結的神經網路。」

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他接著說,現在很多神經科學家研究的議題是「Connectome」(大腦連結體),這是大腦所有神經元連結的集體名詞。「人類起初只是一顆受精卵,從出生到長大成人,大腦如何形成這麼多而複雜的神經網路?」程淮榮道。

國際科學期刊《自然》2014 年 4 月 10 日刊載的封面,展示老鼠大腦神經的 3D 連結圖像。
圖/Nature

整個神經網路這麼複雜,每個地方的神經元都不一樣,神經元如何伸出軸突和其他神經元的樹突形成連結呢?這個問題呼應了程淮榮過去幾十年的研究議題「軸突導向」(Axon guidance)

畢竟神經連結不是這麼簡單的,軸突有沒有可能找錯對象,找錯時該怎麼辦?找到樹突後,它們是怎樣形成突觸?如果沒有形成突觸,該如何解決?這些過程有哪些因素和分子會產生影響?如果能弄懂一個機制,就能連帶了解成千上萬個案例。

一路往前衝的生長錐

發育中的軸突前端有個部位稱為生長錐(Growth cone),形狀像有多根手指的手掌。所有的神經元剛開始發育時,活潑好動的生長錐會萬箭齊發,四處去尋找該連結的地方。一旦找到樹突並形成突觸,生長錐就會消失。但生長錐怎麼知道它要往哪裡走?程淮榮說,其實是有一些信號在告訴生長錐:「你要右轉,你要左轉」、「你要去這裡,不要去那裡」。

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他接著說,「引導生長錐移動的方式其實只有兩種:來或去。我常用愛情故事來比喻:愛,就是來;恨,就是去。西班牙籍的神經解剖學教父桑地牙哥·拉蒙卡哈(Santiago Ramón Y Cajal)寫過許多書,某次我讀到他書裡寫著:『促進了生長錐的生長和分化……最終建立了那些原生質親吻……這似乎構成了史詩般愛情故事的最終狂喜』,發現我的想法原來跟他一樣,後來就拿來引用。」

神經元的生長錐結構示意圖。 圖/研之有物(資料來源:程淮榮)
在培養皿觀察到往前爬行的生長錐,相當好動。(可設定循環播放觀看) 資料來源:程淮榮

生長錐的愛恨與捨離

軸突的生長錐並非一步到位,需要一些過程,才能找到與之連接的樹突。程淮榮用了一個比喻來解釋這個過程:就像一個人開車去尋找真愛。

假如這個人(也就是生長錐)從臺北出發,最終要到達高雄。但他為什麼不會去東部呢?因為有些東西在引導著他:桃園有個吸引他的戀人。如果沒有這個吸引,他就不會去。

但當生長錐到達桃園後,又不能沉溺於短暫的愛情,否則就會一直停留在那裡。因此,他必須對桃園由愛轉恨、果斷離開,繼續前往新竹。依此類推,生長錐在旅途中會不斷地愛、恨、離開,直到最後在目的地(高雄)找到真愛並組建家庭,與其他神經元的樹突形成突觸。

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「那麼,是什麼分子在吸引生長錐前進呢?當生長錐被吸引到某個地方時,哪些分子會排斥它、讓它轉向或離開,直到最終與樹突連接呢?神經科學家在研究這些過程中涉及的各種機制,也就是所謂的分子和細胞機轉。」程淮榮說道。

在身體不同部位像腦或脊椎,促進或抑制生長錐的分子都不一樣。體內有成千上萬各種分子在調控生長錐的生長,有許多不同的機轉,才能構成如此複雜的神經網路。到底是什麼樣的分子會先分泌出來,讓生長錐受到吸引?然後是哪一個分子會把它推開呢?從愛轉恨的轉折點是什麼?這些就是神經科學家的研究課題與精髓。

程淮榮說,「其實裡面有很多的細節,我可以花幾個小時跟學生講每一段的愛情故事,因為牽涉到不同的分子。如果有任何科學家能把這些愛恨轉折點和機轉都研究清楚的話,論文幾乎都能登上 CNS 期刊」(註:頂級期刊《Cell》、《Nature》和《Science》。)

接著程淮榮在訪談中展示下圖,說明神經元如何找到「真愛」,也就是神經網路形成的分子與細胞機制:

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  1. 啟動:最初一開始,神經元的生長錐往前延伸。
  2. 排斥/吸引:有的分子(桃紅色)會吸引生長錐,有的分子(黑色)則會讓生長錐選擇避開。
  3. 定位/凋亡:生長錐最後會到達目的地(藍色)。右邊虛線(綠色)表示神經元沒有順利形成連結而死去。
  4. 分枝:個體發育是漸進式的,不是瞬間所有東西都長好,有些地方較早成熟,有些地方較慢成熟。有可能剛開始神經元連在一處(藍色),但過一段時間後,神經元有另一處新的目的地(灰色),軸突出現分枝(branching out)。
  5. 修剪:軸突連到新的目的地之後,原本的軸突會消失。
  6. 維持:正確的神經連結建立後,通常就一直維持到個體死亡。
神經元軸突如何找到一生至愛?透過生長錐往前探索的過程中,會受到不同分子的吸引和排斥。剛開始建立神經連結時,軸突也可能出現分枝,轉移到真正目的地。一旦建立起真正連結,就會維持終生。 圖/研之有物(資料來源:程淮榮)

神經系統也跟樹枝一樣,需要修剪不需要的部分

神經元的軸突不只有一根分枝,剛開始可以有很多根,但最後只會留下幾根,其它沒用到的軸突分枝就會修剪掉,或是斷開突觸的連結點,這是神經系統調節的一種方式,稱為剪枝(Pruning)。

程淮榮說,剛開始大腦與神經系統要建立起連結時,這是個浩大的工程,第一步只會大致上讓每個神經元都去到該去的地方,很多連結可能都不是非常精確,或是有許多不必要的連結。因此接下來,要進行修剪。

神經細胞跟其他體細胞不同,神經元有神經電位,訊號會以電的形式傳遞,稱為動作電位或神經脈衝。當神經連結初步連好,這時需要外界的刺激來幫助修正,如果連接到對的地方,神經脈衝會很頻繁;連接到錯的地方,神經脈衝不頻繁。於是接錯與不需要的部分就被剪除,藉此能讓神經連結變得更精確。

就像樹枝需要剪枝一樣,神經系統的連結要長得好,長得準確,必須接收大量外界刺激,把不需要且多餘的部分剪掉,去蕪存菁。 圖/研之有物(資料來源:Bing Image Creator

舉例來說,剛出生的嬰兒視力不佳,是因為神經連結沒有很準確。經過一段時間後,因為接收了大量外界刺激,讓神經連結變精確、發育越成熟,視力就會變好。

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透過外界刺激來修剪神經元,使連結更精確,這段時間稱為關鍵期(critical period)。一旦錯過關鍵期,可能會讓神經系統無法準確建立,就比較難再調整。關鍵期牽涉的很廣,有時候不是單單是指剪枝,而是指突觸的連結增強,因為這表示消息的傳遞越多。在學習語言或專業運動訓練等,也都有類似的發展關鍵期。

並非小孩才有,成年後神經連結仍具可塑性

因為連結可以形成、也可以消失,所以神經連結具有可塑性(neuronal plasticity)。儘管成年後神經連結的速度不及幼年期那麼快,但科學家觀察到成體腦部仍然可能發生新的連結變化。

程淮榮在專訪中提到,以前有個傳統實驗,科學家觀察在猴子大腦皮質與五根手指對應的 1、2、3、4、5 五個區域,先切除第三根手指,過幾個月再觀察,發現控制第三根手指的 3 區域不見了。隨後進行第二個實驗,只讓第二根和第三根手指頭一直重複活動,幾個月後發現控制第二根和第三根手指的 2、3 區域都有變大,證實成體腦部仍有可塑性。

猴子手指運動與相應的大腦皮質區域變化,說明成年腦部具有可塑性。第一個實驗切斷猴子第三指之後,可以看到第三根手指對應的皮質區消失了。第二個實驗只讓猴子第二、第三根手指活動,可以看到第二根手指和第三根手指的對應區域都變大。 圖/研之有物(資料來源:程淮榮)

關於成年後的神經可塑性,程淮榮補充道,「樹突有一個突出部位稱為樹突棘(dendritic spine),是神經元之間形成突觸的主要部位。科學家實驗發現,在成年老鼠腦部仍能觀察到長出新的樹突棘,表示形成新的突觸。當然,越老的老鼠,形成新突觸的情況可能沒那麼好,但這表示動物在成年後神經仍然具一定的可塑性。」

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關於神經系統的建立、神經元的生長與消失,仍有許多未完全解開的機制。程淮榮與神經科學家們仍繼續努力去抽絲剝繭,深入瞭解神經元那一段段如史詩般的愛情故事。

延伸閱讀

研之有物│中央研究院_96
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大腦的運作是中心化還是去中心化?
YTC_96
・2023/04/07 ・3988字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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區塊鏈的核心概念 “去中心化” 是近期熱門討論的議題之一,甚至被認為是人類未來重點的科技發展項目。區塊鏈的底層技術不但可能改變傳統金融的 “中心化” 模式,也是發展元宇宙、數位資產以及非同質化代幣(Non-Fungible Token,簡稱:NFT)的關鍵。

大腦控制著人類七情六慾及吃喝拉撒,由數百億個神經元所組成。如此錯綜複雜的神經網路結構,讓許多人將大腦的神經網路與資訊網路做類比,並模仿生物神經網路來建立更有效率的數學模型。

大腦由數百億個神經元所組成,控制著我們的七情六慾及吃喝拉撒。謝啦,大腦! 圖/GIPHY

同時,為了解大腦真正的運作機制,我們也會借鏡已有的計算模型,試圖透過演算以及推論來得知大腦的未解之謎。區塊鏈的去中心化能分散風險,避免結構受損時的訊息損失,這就好似大腦的可補償性,但是在其他的特性上大腦在運作上究竟是偏向中心化還是去中心化呢?這篇文章我們將討論大腦的網路結構以及運作功能的理論。

大腦作為整體來運作,既非單一中心也非完全去中心化

人類的大腦結構極為複雜,由大約 860 億個神經元組成,電訊號無時無刻在各錯綜複雜連的神經網路中傳遞。

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科學家們藉由觀察及操弄,甚至模擬來推論部分大腦的功能,透過體外細胞或組織的實驗操作(in vitro)、存活個體的生物實驗(in vivo),又或是於電腦中進行的模擬(in silico),希望能解密神經網路的運算原則。可惜至今我們還無法全面的了解大腦是如何處理及儲存環境複雜的訊息,並極有效率地讓我們做出認知思考、情緒表現以及運動反應。

1950 年代的認知革命(cognitive revolution)開始將科學方法導入心理學的研究,並認為大腦的主要工作就是在進行訊息處理,將外界訊息傳換成內在的想法及感受,甚至認為心智是可模組化的[1]。他們認為要了解心智運作,只需要將大腦想像成一台汽車,只要能拆解並了解各零組件功能,就能再重新組裝一部一模一樣的車。

現代實驗心理學之父,認知心理學以及構造主義心理學(structural psychology)的重要奠基者威廉.馮特(Wilhelm Maximilian Wundt)和其學生愛德華.鐵欽納(Edward Bradford Titchener),則認為心智就像是化學一樣,可以解析成單位來研究。

但是,我們大腦的運作並非機械,拆解成小單位反而無法看到其整體是如何運作產生功能。心理學的格式塔學派(Gestalt),也稱為完形心理學,由馬科斯.韋特墨(Max Wertheimer)、沃爾夫岡.苛勒(Wolfgang Köhler)和科特.考夫卡(Kurt Koffka)三位德國心理學家創立,以我們感官的認知經驗作為證據提出大腦的運作原理是整體的看法。

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就如同圖中看似毫無規律的黑點,在格式塔學派的整體性(emergence)的理論中,我們大腦能顯示出一隻大麥町狗在樹旁低頭的影像,但若是我們只擷取整個大麥町的頭的部分圖像給尚未看過原圖的人觀看,幾乎是無法看出該圖是代表一個狗的頭(圖一)。

格式塔學派說明的經典例子。圖中的狗並沒有完整的輪廓,但我們卻能察覺 「狗」做為一個整體並辨認其各身體部位。
圖一/POPULAR SCIENCE
擷取左圖狗頭的部分。若只將此擷取圖給尚未看過原始圖的人看,是很難看出擷取圖代表的意義。圖一/POPULAR SCIENCE

上述關於心智的理論都認為大腦是作為整體來運作,並非單一中心又或是完全去中心化。但大腦在結構上是作為整體運作還是有分工呢?從神經解剖上來看,大腦有功能區位化或類似多中心的特性,大腦皮質部分大致分為前葉(frontal lobe),主要是處理運動、工作記憶的部分;頂葉(parietal lobe)則是負責處理感覺以及注意力;顳葉(temporal lobe)則是聽覺,而枕葉(occipital lobe)則是視覺[2]

雖然這樣的構造看似違背了格式塔學派的看法,不過隨著解剖及記錄技術的進步,發現不同腦區有互相連結且彼此震盪(oscillation),並有利於訊息整合,說明腦區間訊息是流通且會互相影響。譬如前葉和顳葉的 Gamma 頻率神經震盪和語言運動控制有關[3]。此外,異常的腦區間震盪也與精神疾病導致的失常認知功能有關[4][5],也符合大腦整體運作的重要性理論。

神經網路的可能運算特性

大腦透過多感官訊息的運算整合了解世界。舉例來說,在走路時,神經系統整合了視覺輸入產生的光流(optical flow)和身體移動帶來的平衡覺前庭訊號(vestibular signal),藉此幫助我們判斷轉頭以及運動方向。

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近期有一篇神經模擬的研究,則試圖了解去中心化的神經網路在處理多感官整合的可能性。研究團隊嘗試以視覺與平衡覺整合來推論轉頭方向,結果發現去中心化模型能理想地整合不同線索的訊息及推估刺激[6]

但這與區塊鏈的去中心化是相同的嗎?

目前對神經連結的研究,已知大腦內的神經元不是全部都彼此互相連結溝通無阻,這也說明區塊鏈的去中心化在以全腦神經元作為連結單位來看是不存在的。

神經網路的連結原則,被認為可能具有小世界(small world)與無尺度(scale-free)的特性[7]。小世界網路遵循著高集中及相對短連結的特徵,大部分節點並不相連,但卻可以透過少數幾個連結達到,且存在類似中心的樞紐(hub)。

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六度分隔理論(six degrees of separation)認為,世界上任兩個互不相識的陌生人,中間人最多只有 6 個人。 圖一/wikimedia

更白話一點就是,點與點看似距離遙遠,其實距離不遠,並且能透過較短的距離彼此連結,這也就是著名的社會人際的六度分隔理論(six degrees of separation),認為任何兩位陌生人所間隔的人不會超過六位[8]。建立在傳統的小世界網路模型之上,也有人認為大腦遵循階層架構(hierarchical structure),各腦葉中由幾個較小且集中的連結形成,而腦葉間的連結則是較為疏散的連結[9](圖二)。

無尺度網路符合幂率分布(power-law)特性,網路中大部分節點只和很少節點連結,但極少數節點與非常多節點連結[10]。此網路有容錯的特性,不會因部分節點失效而讓整體網路喪失功能。但容錯性卻相對應帶來攻擊脆弱的特性,如果重要的節點被攻擊,則網路將嚴重受損。

如此的網路已不再只有一個中心,廣義來看確實像是去中心化。但網路中卻存有多個中心,也是和區塊鏈資料散佈到所有節點的意義是不同的。以上從神經網路可能的數學模型來看,似乎間接說明大腦的中心化及去中心化特性是存在於不同的觀察尺度。

(a)傳統小世界網路,有著高集中及相對短連結的特性 (b)階層式模組網路,局部連結為傳統小世界但幾個大腦區整體連結是較為疏散的。圖二/Brain Structure&Function

神經元是神經運算的最小單元?

從結構上來看,人類大腦有數百億的神經元,若最小的功能性單元為單一神經元,則我們則需要定義數百億的功能,且若某個神經元死亡,則代表該功能喪失。

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事實上大腦有著很強的可塑性(plasticity)及某程度的抵抗性(resistance),部分神經的受損可以由其他神經互補功能。若功能性單元不是神經元,有可能是腦葉嗎?但腦葉做為功能單元,則又太過廣泛,舉例來說,就算是視覺,又可細分成顏色,深度,明亮度…等等的概念。如此推論下去,很難就功能性單元有明確的定義。

有趣的是,大腦神經紀錄上確實能看到部分神經對特定刺激會同時反應,又或是同時休息的特性,並且腦區與腦區的連結是以神經束的概念傳遞,而不是單一神經的傳遞。這說明了神經迴路的神經元會形成一集團共同處理同一刺激並往下一站傳遞。這些集團們則有很大的可能擁有與區塊鏈相同的特性,代表集團內的神經元們會彼此共享資訊。並且,少數幾個神經元被移除也不影響訊息處理及傳遞。

可惜的是,若要證明此概念,生物實驗上目前有執行上的困難。因為技術上無法在活體上定義神經元尺度的集團位置及集團成員(神經元)。此外,神經元對應的訊息刺激也尚未有定論,並不像區塊鏈本身就是有著明確定義為有交易紀錄的分散式帳本。

大腦神經紀錄上確實能看到部分神經對特定刺激會同時反應、休息的特性。 圖/GIPHY

結論

從巨觀來看,大腦看似只有幾個重要的中心處理特定功能,從介觀來看,中心與各中心是由錯綜複雜的神經網路的連結形成,為了使訊息傳遞有效率,網路可能遵守著小世界網路或是幂率分布特性。

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這樣的連結網路是多中心而不像區塊鏈資料完全透明共享。從微觀來看,由於數個神經元能處理相同刺激並傳遞相同訊息,代表部分神經集團很有可能符合區塊鏈特性,這也解釋為何人類大腦有如此多的神經元。受限於神經集團定義上的困難及進一步驗證此是否符合區塊鏈特性數學上的定義,探索大腦神經網路的特性還需要眾人努力。

參考文獻:

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Cognitive_revolution
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Lobes_of_the_brain
  3. Kingyon J, Behroozmand R, Kelley R, Oya H, Kawasaki H, Narayanan NS, Greenlee JD. High-gamma band fronto-temporal coherence as a measure of functional connectivity in speech motor control. Neuroscience. 2015 Oct 1;305:15-25. doi: 10.1016/j.neuroscience.2015.07.069.
  4. John JP. Fronto-temporal dysfunction in schizophrenia: A selective review. Indian J Psychiatry. 2009 Jul-Sep;51(3):180-90. doi: 10.4103/0019-5545.55084.
  5. Dols A, Krudop W, Möller C, Shulman K, Sajatovic M, Pijnenburg YA. Late life bipolar disorder evolving into frontotemporal dementia mimic. Neuropsychiatr Dis Treat. 2016 Sep 7;12:2207-12. doi: 10.2147/NDT.S99229.
  6. Zhang, W. H., Chen, A., Rasch, M. J. & Wu, S. Decentralized Multisensory Information Integration in Neural Systems. J Neurosci 36, 532-547, doi:10.1523/JNEUROSCI.0578-15.2016 (2016).
  7. Yao Z, Hu B, Xie Y, Moore P, Zheng J. A review of structural and functional brain networks: small world and atlas. Brain Inform. 2015 Mar;2(1):45-52. doi: 10.1007/s40708-015-0009-z. Epub 2015 Feb 14.
  8. https://en.wikipedia.org/wiki/Small-world_experiment
  9. Hilgetag, C. C. & Goulas, A. Is the brain really a small-world network? Brain Struct Funct 221, 2361-2366, doi:10.1007/s00429-015-1035-6 (2016).
  10. https://en.wikipedia.org/wiki/Scale-free_network
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YTC_96
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從大學部到博士班,在神經科學界打滾超過十年,研究過果蠅、小鼠以及大鼠。在美國取得神經科學博士學位之後,決定先沉澱思考未來的下一步。現在於加勒比海擔任志工進行精神健康知識以及大腦科學教育推廣。有任何問題,歡迎來信討論 ytc329@gmail.com。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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)。

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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。

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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。

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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》。