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老鼠見色忘友是先天還是後天的呢?

李紀潔、羅鴻
・2017/11/10 ・2175字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 535 ・七年級
  • 文/李紀潔、羅鴻|陽明大學基因體科學研究所畢業生
圖中老鼠為示意圖,非實驗老鼠。source:Maxpixel

成年的公鼠都具有與生俱來的社交行為:當遇到母鼠時,他們會嘗試和她交配;如果遇到其他公鼠,他們會攻擊對方。而老鼠們並不需要被教導就能擁有這些先天的行為反應,也因此決大部分的神經科學家都認為這些行為是透過先天的神經迴路,像是硬體般地建立出來的,而沒有什麼變動性。

但是來自加州科技大學的神經科學研究團隊發現了這些行為和負責調控這些行為的神經並非原先就是設定好的。

這項研究發表在 10 月 19 日的 自然<Nature>雜誌上,由 David Anderson(Seymour Benzer Professor of Biology、Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience Leadership Chair、Howard Huges Medical Institute Investigator 和 director of the Tianqian and Chrissy Chen Institute for Neuroscience)所領導此研究。

我們已知下視丘是調節及釋放賀爾蒙的重要中樞,而其中下視丘腹中核(ventromedial hypothalamus 簡稱 VMH)又負責調控進食、體溫和性行為。並且當下視丘腹中核的神經群缺失雌激素受體(estrogen receptor 1)的話,母鼠的性行為互動(sexual behavior interaction)則會下降。[注1]

因此,研究團隊在此腦區有雌激素受體的神經細胞裡表現特定的蛋白,當神經活化時則會發出綠色螢光。接著,科學家便能透過小鼠頭上的微型內視顯微鏡(microendoscopy)觀察負責攻擊與交配的腦區,VMH 神經活動的變化。

利用微型內視顯微鏡觀察及紀錄下視丘腹中核裡活化的神經細胞。source:Nature

首先,該團隊先是針對成年公鼠面對同性和異性的入侵者時 VMH 神經活化的情況進行分析,發現負責攻擊和交配時活化的 VHM 神經細胞是幾乎不重複的兩群細胞。而這兩群細胞在空間上並沒有獨立分開,反而像是鹽和胡椒一般混合分佈在 VMH 當中。而研究人員也能夠透過這些神經活化的分群來推斷究竟公鼠現在面對的是同性或是異性的入侵者。這發現似乎也證實了過往科學家認為這些神經迴路的建立是如同硬體一般的天生註定。

成年公鼠在面對異性或同性時會活化下視丘腹中核裡不同的神經細胞群。source:Nature

但是真的是這樣嗎?

科學家們為了驗證這個假說是否成立,他們更進一步使用尚未社會化的小鼠(Naïve mice),也就是斷乳後就被獨立飼養的老鼠,來進行相同的實驗。若是沒有社交和交配經驗的小鼠也會有不同兩群 VMH 神經負責調控攻擊和交配這兩個行為,便能證實這些行為真的是與天俱來的。

未社會化的小鼠指的是斷乳後就被獨立飼養的老鼠,不會像圖中的小鼠們一樣擠成一團啊。(圖中老鼠為示意圖,非實驗老鼠。)source:Maxpixel

令人吃驚的是,科學家們得到的實驗結果和預想的完全相反!

未社會化的小鼠在面對同性和異性的小鼠時,活化的 VMH 神經是同一群的神經細胞,而這些小鼠也沒有明顯攻擊和交配的行為發生。只有在重複的接觸公鼠或是母鼠之後,未社會化的小鼠的 VMH 神經活化才會分成不同群細胞,而未社會化的小鼠此時才會開始對不同性別的入侵者有攻擊和交配的行為出現。

未社會化的小鼠會隨著接觸異性或同性而使下視丘腹中核神經細胞產生分群。source:Nature

研究團隊更進一步的去分析,發現未社會化的公鼠能夠分出兩群不同的 VMH 神經細胞和不同行為的主要因素是未社會化的公鼠需要和母鼠有社交經驗。只要未社會化的公鼠和母鼠接觸過 30 分鐘後,他便會在 24 小時後發展出攻擊同性入侵者的行為和不同群的 VMH 神經細胞。相反的,只有和公鼠接觸的未社會化的小鼠並不會發展出攻擊行為和 VMH 神經分群的現象。

未社會化的小鼠在只接觸過母鼠後就會產生對公鼠的攻擊行為。source:Nature

「小鼠的性別特化神經並不是天生的」本篇文章的共同作者 Ryan Remedios(博士後研究員)指出,「性別神經特化的分群是社交經驗,尤其是和雌性的社交經驗的成果。」

「我們完全無法預期會發現這樣的結果」共同第一作者 Ann Kennedy (博士後研究員)說道「大腦的地基VMH 這個腦區是相對原始且古老的腦區,我們過往一直認為它是大腦的地基(basement ),通常認為它的反應比較像管線系統非電腦(computor)。我們的研究指出這個腦區也有可塑性和運算能力。」

「這是個基礎的神經科學研究」Anderson 說「我們研究的是大腦神經迴路的建構和行為的產生是先天/遺傳(innate)還是後天/經驗(nurture)問題。這些結果證實了即便是我們認為是先天的行為,其神經迴路也有可能是後天才建立好的。這個發現更產生新的問題:為什麼和母鼠的互動能夠改變腦部神經活化的分布,並產生侵略性。」

「事實上負責調控生殖和侵略行為的神經細胞在腦區分佈上是相當接近的,而這在生物學上相當重要,因為這些行為都是能讓個體生存並繁衍的必要條件。」Anderson 補充說明「這同時也造就了新的想法,是否具有性暴力傾向的人是因為他們的這個腦區『神經錯亂』了呢?如果真的如此,那麼也許有天我們能夠透過解開這些功能錯亂的神經來抑制性暴力傾向的行為。當然這目前仍只是空想,以此為出發點的治療仍是條漫漫長路。」

參考資料

  1. Roles of Estrogen Receptor-α Gene Expression in Reproduction-Related Behaviors in Female Mice”Endocrinology. 1998 Dec;139(12):5070-81.
  2. Social behaviour shapes hypothalamic neural ensemble representations of conspecific sex”Send to
    Nature. 2017 Oct 18;550(7676):388-392. doi: 10.1038/nature23885.
  3. Nature or nurture? Innate social behaviors in the mouse brain

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文章難易度
李紀潔、羅鴻
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來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。


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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。