0

4
2

文字

分享

0
4
2

「看見」大腦記憶的生成──超解析 3D 層光定位顯微鏡

研之有物│中央研究院_96
・2020/04/30 ・3665字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 581 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 撰文|呂杰翰、黃鈺珊、呂萱萱;美術編輯|林洵安

超解析 3D 層光定位顯微鏡

中研院江安世院士、應用科學研究中心陳壁彰助研究員,共同開發了「透化層光定位顯微鏡」,一次解構果蠅全腦的多巴胺神經網路,並可「看見」記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生,此新技術可望揭開大腦記憶機制的神秘面紗。研究論文已於去(2019)年 10 月 18 日刊登在《自然通訊》(Nature Communications)。跟著研之有物一起來了解!

一個細微的動作、一絲情緒起伏,都是由千絲萬縷的神經網路,以及大量訊息傳遞的化學分子交錯作用的結果。早期心理學家要解析人類的大腦意識活動,必須對照研究對象的夢境和生活史。然而,大多數人一起床夢境就忘掉八成,還要將夢境和更久遠的童年記憶連繫起來,說佛洛伊德有多心累都不為過。

人類的任何情緒和行為,都是大腦千絲萬縷的神經網路,以及大量訊息傳遞的化學分子交錯作用的結果。
圖片來源│iStock

如今神經科學家有螢光蛋白與基因工程等工具在手,可先給予模式生物(如果蠅)特定刺激,然後用螢光定位腦內參與活動的生化分子(如某些與記憶有關的蛋白質分子),了解刺激前後分子如何重新分布,以此推測它們在腦部活動中所扮演的角色。

  • BUT!因為可見光無法穿透較厚的組織,過去研究者只能將腦組織切成薄片,才能用顯微鏡觀察。但切片會破壞大腦的整體性,無法忠實呈現完整的神經結構。

國立清華大學腦科學研究中心、中研院院士江安世與中研院應用科學研究中心助研究員陳壁彰,合作研發出可透視果蠅全腦的超解析 3D 層光定位顯微鏡,並利用化學方法把果蠅大腦變「透明」、可見光能通過,終於得以窺見果蠅腦部深處被螢光標定的單分子神經,藉此建構果蠅全腦神經網路地圖。

去年團隊藉著這項技術,「看見」記憶蛋白在大腦深處特定神經細胞突觸上的新生,初步揭開大腦記憶的神秘面紗。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

精彩故事,是這麼開始的……

解析度、廣度,統統都要!

先來說說傳統顯微鏡的問題!傳統光學顯微術能夠解析的最小距離,大約 250 奈米左右。也就是說,如果兩個發光分子之間的距離小於這個極限,因為光波的繞射特性會使分子影像變得模糊。這個鑑別距離極限,定義了光學成像的「解析度」。

傳統光學顯微術的「繞射極限」,硬生生地限制了科學家一窺腦部全貌的夢想。

大腦神經突觸的大小約在 20 到 40 奈米之間,與腦部分子活動相關的神經結構尺度也在數十奈米。可想而知,運用傳統「粗線條」的光學顯微術觀察大腦,一定會有「見林不見樹」的問題:即使可知大致的神經走向,也無法得知細微變化。但魔鬼,就是藏在細節裡啊~~

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

另一方面,傳統顯微鏡還有視野廣度或視野大小的問題。神經突觸的大小是果蠅大腦 ( 約數百微米 ) 的數千分之一。想要解析特定分子在大腦的分布,困難度就像用小小無人機空拍一個籃球場,還要定位籃球場上每隻螞蟻的正確位置。

但在顯微鏡的世界裡,解析度和視野廣度本是兩個極端,想要一種技術、兩種滿足,必須找到非比尋常的解決之道。

關關難過關關過

首先,這種顯微技術必須能夠定位腦神經細胞中個別分子。衡量各種超解析顯微術的優勢與適用範圍,「單分子定位顯微術」(single molecule localization microscopy) 具有數十奈米等級的空間解析度,得以鑑別相距約 20 奈米的分子,恰好符合神經生物學家對解析度的要求,無疑是首選工具。

圖片來源│ 呂杰翰
圖說美化│林洵安

再者,因為神經網路遍佈全腦,並非僅侷限在大腦的表層,此顯微術必須能看得又深又清楚,才能重建果蠅大腦完整的三維影像,提供全面而精密的分子地圖。近年熱議的「層光顯微術」( light-sheet microscopy ) 可快速取得大範圍樣品的影像,成為不二首選

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

有關層光顯微鏡的介紹,請見研之有物另一好文〈灑下百道層光,一窺微觀世界的生命律動:「晶格層光顯微鏡」如何為細胞拍攝寫真集〉。

再加上,江安世院士團隊透過生物組織澄清技術,運用化學方法讓果蠅腦變透明、能讓可見光通過,然後以層光掃描透明大腦,輔以上述單分子定位顯微術,即可在短時間內偵測大腦內的個別分子位置,稱為「透化層光定位顯微鏡」。

中研院應用科學研究中心陳壁彰助研究員與透化層光定位顯微鏡。
圖片來源│中研院秘書處

跨領域合作,打開大腦的潘朵拉盒子

有了既定的策略,抽象的概念立刻轉化為一個跨界、甚至跨國的技術整合問題。

陳壁彰助研究員與江安世院士合作,將一個由國家實驗研究院儀器科技中心打造的特殊顯微物鏡,整合入實驗室既有的掃描式貝色層光顯微鏡 (Scanning Bessel beam light-sheet microscope),建構出針對透明化樣品最佳化的超解析顯微鏡。

並應用日本東京大學 Yasuteru Urano 團隊開發的新型閃爍螢光染劑 HMSiR 標定腦內分子,讓每一個參與大腦記憶生成的分子,發出清晰且明亮的光訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

論文第一作者、現任國立清華大學生醫工程與環境科學系助理教授朱麗安興奮地說:身為一個生物學家,使用自己建造的顯微鏡系統,就像打開潘朵拉的盒子,突然什麼都變成可能!

因為商用顯微鏡大多有鏡頭選用、解析度等限制,尤其層光顯微鏡在鏡頭選擇上更是有諸多限制。

那麼,這項新的顯微鏡系統,會對神經科學帶來什麼改革呢?

首先,神經訊號的傳遞仰賴神經突觸電位及神經傳導物質的傳遞,想要了解大腦的活動,必須解析突觸上的細微變化,如蛋白質的生成。以模式生物果蠅為例,神經突觸只有幾百奈米,過去只能仰賴電子顯微鏡。

但電子顯微鏡的樣品製備非常繁複,並需要將組織切片,無法呈現完整的神經結構,一次能看的樣品範圍也很小。電子顯微鏡的另一個問題是「很花時間」。美國珍利亞農場研究園區 (Janelia Research Campus) 所做的全果蠅腦電子顯微鏡連續切片影像,單一個果蠅腦就需花費 16 個月拍攝完成,再經過無數的工程師進行影像處理,不利於統計分析。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
果蠅全腦多巴胺神經多尺度圖像(上),細部的神經結構(左下),以及放大展現出非常複雜、但可經由新顯微術辨識的神經網路(右下)。
圖片來源│陳壁彰

透化層光定位顯微鏡,可在比細胞大將近一萬倍的組織(如果蠅大腦),定位其中所有蛋白質分子,進行果蠅全腦的攝影。而且全腦攝影可在一天之內完成,期間僅需移動樣品四次,大幅降低機械移動造成的誤差與後續影像處理的複雜性。與傳統的顯微技術比較,新技術能在合理的時間內拍攝大量樣品,即時提供生物學家更大的統計樣本。

去 (2019) 年初已初步告捷!新的顯微技術一次解構果蠅全腦的多巴胺神經網路,「看見」記憶蛋白在特定神經細胞突觸上的新生,可望揭開大腦記憶機制的神秘面紗。

看見記憶、解密大腦疾病

昆蟲腦部的蕈狀體分布了一種囊泡單胺運轉蛋白質 (vesicular monoamine transporter),與昆蟲的嗅覺與記憶功能息息相關,是一種在腦部負責訊息傳遞的重要分子。只要標定這種蛋白質分子的精確位置,即可從中歸納出與記憶有關的分子機制。

本次研究發現:在讓果蠅進行特定的記憶訓練後,只有特定的神經突觸會增加囊泡單胺運轉蛋白質表現,顯示這些神經在記憶過程可能肩負重大功能。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

藉由類似的實驗,神經科學家可以釐清神經變化和特定腦部活動的關聯,進一步理解神經在腦部記憶生成的機制,以及神經可塑性 (placiticity) 的變化,破解大腦記憶之謎。

左圖是超解析之果蠅眼部單一神經,右圖是超解析全腦囊泡單胺運轉蛋白在神經上的分佈。
圖片來源│Rapid single-wavelength lightsheet localization microscopy for clarified tissue

另一方面,由於鼠腦被普遍使用於與人類腦部疾病有關的研究,未來江安世院士研究團隊也計畫以此探索老鼠腦,揭密與蛋白質分布有關的機制,對於解答部分人類腦部疾病做出貢獻!

「目前為止,我們已經觀察果蠅在訓練前後的神經活動,並且能夠分辨尺度在數十奈米左右的變化,這對釐清分子在神經可塑性中扮演的角色提供很大的幫助。」朱麗安期許未來:「十年後的目標是將影像解析度提升到 10 奈米,並試著應用於活體,即時觀察神經在腦部活動下的重塑,終極目標是理解學習行為的詳細機制!」

也許不遠的未來,新的顯微技術可以觀察生物學習當下發生的每一個細微腦部變化,解密人之所以為人,是如何從經驗學習成長。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為《「看見」大腦記憶的生成—-超解析 3D 層光定位顯微鏡》,泛科學為宣傳推廣執行單位

文章難易度
研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3400 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

0

0
0

文字

分享

0
0
0
少了目鏡的數位顯微鏡
顯微觀點_96
・2024/04/16 ・1996字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自顯微觀點

顯微鏡在觀察微小物體上發揮非常重要的作用,但傳統光學顯微鏡通常愈將倍率放大,景深就愈淺,在觀察立體的生物標本或是組織切片,觀察者無論怎樣調焦,依然無法獲得完全清晰的圖片。數位顯微鏡便能解決這樣的問題。

數位顯微鏡和光學顯微鏡最大的差異在於觀察方式。數位顯微鏡不像傳統顯微鏡透過目鏡來觀察,而是使用數位相機獲取畫面,再將即時畫面投影到連接的電腦螢幕。

三要件組成數位顯微鏡

數位顯微鏡結合了傳統光學顯微鏡、數位多媒體和數位處理技術,其成像系統通常包括三個模組:顯微鏡光學模組、資料擷取模組、數位影像處理和軟體控制模組。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

顯微鏡光學模組執行顯微成像的功能,將欲觀察的樣本影像聚焦。一旦聚焦,資料擷取模組就會將影像以數位格式儲存在感光元件,如 CCD(電荷耦合裝置‍)或 CMOS‍(互補式金氧半導體),再透過 USB 或其他介面傳輸到電腦儲存裝置。

軟體控制模組則是整個數位顯微鏡系統的核心,可即時控制、優化擷取的影像,並加以處理、分析測量。尤其隨著功能更強大的電腦出現,數位顯微影像可以得到更有效和高效的處理,例如可以取代手動計數功能,或是快速推疊或拼接影像。

公式

Dtot 表示景深,λ 是照明光的波長,n 是物鏡至觀察物體間介質的折射率,NA 是物鏡的數值孔徑

e 是放置在顯微鏡物鏡圖像中,可分辨的最小距離,M 是橫向總放大倍率

從公式可以看到,景深和總放大倍率幾乎成反比。而以過去難以同時兼備的高倍率和大景深來說,使用顯微鏡調整焦點,搜尋並到達分佈在不同深度的樣本後,再以數位成像設備捕捉分佈在這些深度的所有清晰影像,傳輸到電腦就能產生高品質、清晰的影像。

另外,也可結合雷射和共軛焦顯微鏡觀察不同深度的橫斷切面影像,再利用電腦影像處理和 3D 重建演算法,便能可以獲得高解析度的立體輪廓,進而觀察複雜的細胞骨架、染色體、細胞器和細胞膜。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

數位顯微鏡的電腦即時處理也常應用在動態或活體(in vivo)檢測的研究中,例如細胞膜潛在變化、藥物進入組織或細胞膜的過程等。

902x324p487x175.png

數位顯微鏡的倍率計算

傳統顯微鏡的總放大倍率為目鏡倍率 x 物鏡倍率,既然數位顯微鏡拿掉了目鏡改以數位相機、電腦取代,該如何計算總放大倍率呢?

數位顯微鏡除了光學放大倍率,還必須考慮數位放大倍率,因此總放大倍率=光學放大倍率 x 數位放大倍率

  • 光學放大倍率:物鏡放大倍率 x C 型轉接環放大倍率

由於連接顯微鏡和相機通常有一個 C 型轉接環(C-mount),且內建鏡頭。因此必須先將物鏡放大倍率乘以轉接環的放大倍率。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 數位放大倍率=螢幕(顯示器)尺寸/感光元件尺寸

數位放大倍率必須考慮的元素有螢幕和感光元件。通常螢幕的對角線尺寸以英吋為單位,因此必須先將測量值轉換為毫米(mm);以 19 吋顯示器為例,其對角線測量值則為 19 吋 x 25.4=482.6 (mm)。

感光元件尺寸同樣以對角線的測量值來計算。以 1” 的晶片來說,其對角線測量值為 16(mm)。

感光元件規格(英吋)對角線
1″12.89.316
2/3″8.86.611
1/1.8″7.25.49
1/2″6.44.88
1/2.5″5.84.37
1/3″4.83.66
1/4″3.22.44

因此若以 10X 的物鏡搭配 0.67X 的 C 型轉接環,變焦 5X 後使用 2/3”CMOS 攝錄器拍攝並投影在 24 吋螢幕上。此時總放大倍率為:10 X 0.67 X 5 X 24 X 25.4 / 11 = 1856.5 (倍)

不過,隨著技術的不斷進步,數位顯微鏡和光學顯微鏡間的界限變得越來越模糊,有些數位顯微鏡採用更多光學元件,光學顯微鏡也採用了數位相機技術;相信打破藩籬的那一天指日可待。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

查看原始文章

參考資料

  1. Digital vs. Optical Microscopes: An In-Depth Comparison
  2. How to Calculate Microscope On-Screen Magnification
  3. Chen, X., Zheng, B., & Liu, H. (2011). Optical and digital microscopic imaging techniques and applications in pathology. Analytical cellular pathology (Amsterdam)34(1-2), 5–18.

討論功能關閉中。

顯微觀點_96
3 篇文章 ・ 1 位粉絲
從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

0

15
2

文字

分享

0
15
2
大腦與骨骼的關係,比我們想像的還要深?!阿茲海默症最新病因假說
Y.L._96
・2023/06/12 ・2803字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文翻自<Astrocyte Dysregulation and Calcium Ion Imbalance May Link the Development of Osteoporosis and Alzheimer’s Disease>一文

蔡依良 撰

加拿大的研究報告中指出,阿茲海默症患者罹患骨質疏鬆症和骨折發生率是同年齡神經正常成人的兩倍多 [1]。一項為期兩年的縱向研究也表明,與非失智症的患者相比,阿茲海默症患者的骨骼密度流失的更多 [2]。目前已有少量的實證證據,證明了阿茲海默症的神經病理生理學特徵可能導致骨質流失 [3, 4]。藥物方面,也有報告指出使用鈣離子通道阻滯劑和用於治療骨質疏鬆症的雙磷酸鹽類藥物,可以有效地緩解阿茲海默症的症狀。

為什麼骨質疏鬆與阿茲海默症會有關係呢?這就要從阿茲海默症是什麼開始說起。

阿茲海默症是五種失智症的一種

我們所說的阿茲海默症,只是失智症的其中一種。失智症主要可分為五大類型:路易氏體失智症、額顳葉失智症、血管型失智症、混合性癡呆,以及阿茲海默症。其中阿茲海默症為最常見的失智症,它是一種與年齡相關,認知能力下降的退化性疾病,包括記憶力改變和定向能力下降。

在阿茲海默症的病程中,有高達 70-80% 的患者會表現出非認知症狀,這會導致患者煩躁不安,表現妄想、抑鬱、幻覺、錯誤識別、睡眠障礙、冷漠、攻擊性、進食障礙、不適當的性行為或徘徊。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
70-80% 的患者會表現出非認知症狀。圖/envatoelements

因此我們有必要先強調,這些研究都只說明了其中一種失智症類型——阿茲海默症,與骨質疏鬆有關,不是所有失智症都跟骨質疏鬆有關係。

為什麼阿茲海默症會跟骨質疏鬆扯上關係?

在病理學上,阿茲海默症患者的典型症狀是澱粉樣蛋白-β (Aβ) 斑塊和 tau 過度磷酸化。然而,最近的研究表明,這些症狀並不是疾病的原因,而是發病後產生的。與其他類型的失智症相比,阿茲海默症具有明顯的松果體鈣化及體積縮小,和褪黑激素分泌減少的特徵。

而這幾個跟「松果體」有關的特徵,跟阿茲海默與骨質疏鬆症有密不可分的關係。

松果體是什麼?

松果體位於腦部中央的上視丘,介於兩個腦半球之間,藏在丘腦兩半連接處的凹槽中。是一個對光敏感的小型神經內分泌器官,透過眼球接受光的信息,調整褪黑激素的分泌量,進而控制動物的睡眠時間。它具有高度血管化的構造,不依賴血腦屏障(BBB)所提供的保護。由星狀膠質細胞、小膠質細胞、內皮細胞和釋放褪黑激素的松果體細胞所組成的器官。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

松果體的分泌能力與其體積大小成正比。因此當羥基磷灰石逐漸沉積在松果體形成鈣化時,成為我們俗稱的「腦砂」,勢必將減少褪黑激素的產生。這就是上面提到的「阿茲海默症具有明顯的松果體鈣化及體積縮小,和褪黑激素分泌減少」。

松果體鈣化是導致阿茲海夢症的特徵之一。圖/envatoelements

褪黑激素與骨細胞增殖有關

有趣的是,褪黑激素除了與腦的關聯外,其他研究還發現使用褪黑激素可增加正常人的骨細胞和成骨細胞的增殖。這即是一開始研究所說的「阿茲海默症與骨質疏鬆症有關係」的原因之一。

為什麼是之一呢?因為不只在褪黑激素上,找到阿茲海默症和骨質疏鬆症二種疾病的關聯性,也在其他骨鈣代謝激素,像是:腦雌激素、甲狀旁腺素、維生素 D3、降鈣素、骨鈣素…等,也都有研究找出該激素與兩種疾病之間的關聯性。

骨質疏鬆症。圖/envatoelements

骨鈣代謝激素對阿茲海默症的影響

腦雌激素由星狀膠質細胞合成,具有神經保護的功能,維生素 D3 除了可以保護骨骼,同時也是一種神經類固醇激素,在大腦中扮演保護和調節作用。Hana 等人研究則是發現「降鈣素基因相關肽拮抗劑(CGRP)」,具有成骨和維持骨穩態的作用,可能成為延緩人類認知衰退的治療靶點 [5]。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

還有,成骨細胞衍生的骨鈣素,發現可以改善與年齡相關的認知衰退、預防抑鬱和焦慮,以及減少星形膠質細胞和小膠質細胞的增殖。綜合上述,我們可以得知阿茲海默症和骨質疏鬆症之間,確實存在著某種相關性。

阿茲海默症與骨質疏鬆有關的可能原因

雖然有不少研究支持阿茲海默症與骨質疏鬆有關聯性,但兩者的因果關係,尚未有統一答案,不過,我們可以藉由以下幾點推測可能原因:

一、松果體中的星狀膠質細胞對鈣離子平衡作用

星形膠質細胞為組成松果體的重要細胞之一,它的功能有維持鈣離子濃度平衡,提供神經細胞營養,並可在體內遷移。鈣離子是人類重要的神經傳遞物質之一,一旦被觸發,星形膠質細胞之間就會形成鈣波,激活其他星形膠質細胞傳遞信息。

二、調節骨頭生長的骨細胞為星狀型態細胞

人體大多數的鈣質儲存在骨骼中,以維持一生的鈣穩態。骨組織主要由骨細胞、成骨細胞和蝕骨細胞組成。在骨重塑當中,成骨細胞是生成骨頭的細胞,蝕骨細胞則是分解骨頭的細胞,而骨細胞是調節蝕骨細胞和成骨細胞活性的星狀型態細胞。在成熟的骨骼中,骨細胞是數量最多的細胞類型,有著與生命體本身一樣長的壽命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雖然骨細胞的並非星形膠質細胞,但無論在形態或功能上,都有相似之處,同樣為星形,也都與鈣離子濃度的調節有關,只是松果體內的星狀細胞是直接調整鈣離子,骨細胞是藉由控制成骨與蝕骨細胞,來影響周圍鈣離子濃度。為了方便起見,我們假設骨細胞是星形膠質細胞的一種,而松果體主要也是由星形膠質細胞組成。

骨質疏鬆導致鈣離子被釋放到血液中,從而促進松果體鈣化。圖/envatoelements

在鈣波的影響下,那麼當蝕骨細胞有較高的細胞活性,加上星形膠質細胞逐漸失去功能時,鈣將從骨骼中逐漸流失,從而引發骨質疏鬆症。隨後被釋放到血液中的鈣離子可能在松果體中蓄積並導致異位鈣化,從而促進阿茲海默症的發生。

最後值得我們進一步思考的是,長期的慢性發炎時常伴隨著鈣化現象的發生。如果我們常常半夜不睡覺,或在睡前接收大量的光線刺激。長期不正常的光週期是否會導致松果體慢性發炎,誘發松果體鈣化增加罹患阿茲海默症的風險呢?

參考資料

  1. Weller I I. The relation between hip fracture and Alzheimer’s disease in the canadian national population health survey health institutions data, 1994-1995. A cross-sectional study. Ann Epidemiol. 2000;10(7):461. doi:10.1016/s1047-2797(00)00085-5
  2. Loskutova N, Watts AS, Burns JM. The cause-effect relationship between bone loss and Alzheimer’s disease using statistical modeling. Med Hypotheses. 2019;122:92-97. doi:10.1016/j.mehy.2018.10.024
  3. Dengler-Crish CM, Elefteriou F. Shared mechanisms: osteoporosis and Alzheimer’s disease?. Aging (Albany NY). 2019;11(5):1317-1318. doi:10.18632/aging.101828
  4. Minoia A, Dalle Carbonare L, Schwamborn JC, Bolognin S, Valenti MT. Bone Tissue and the Nervous System: What Do They Have in Common?. Cells. 2022;12(1):51. Published 2022 Dec 22. doi:10.3390/cells12010051
  5. Na H, Gan Q, Mcparland L, et al. Characterization of the effects of calcitonin gene-related peptide receptor antagonist for Alzheimer’s disease. Neuropharmacology. 2020;168:108017. doi:10.1016/j.neuropharm.2020.108017

0

3
0

文字

分享

0
3
0
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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
193 篇文章 ・ 1015 位粉絲
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》。