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調控多巴胺神經元,讓老齡雄果蠅找回愛愛的動力

活躍星系核_96
・2015/07/17 ・2054字 ・閱讀時間約 4 分鐘

文/林政達(國立暨南國際大學應用化學所生物醫學組 碩士)

我們常會看到一些跟性功能障礙有關的廣告,總是會特別關注中老年人:過去的臨床研究中已經證實[1],人類的性慾及性活動力會隨著年齡的增長而降低。但為什麼年紀越大會越來越「不行」?大腦如何調節我們對這些慾望的需求,其中複雜的神經網絡與所涉及的分子機制至今仍難以釐清。

最近暨南大學應用化學所生物醫學組的傅在峰副教授與他的研究團隊,利用神經科學研究中經常使用的模式生物–果蠅(Drosophila melanogaster )做為研究對象,來研究這項議題。果蠅如同人類一般,老年雄性果蠅的性活動力也較年輕力壯的年輕雄蠅來的低,研究者利用了遺傳技術補充老年雄果蠅體內的多巴胺量(dopamine level),竟使老年雄果蠅「回春」了,研究團隊甚至在果蠅腦中找到一群名為PPL2ab的多巴胺神經元,發現它是調控老年雄果蠅重新找回愛情動力的關鍵。此研究已被發表在2015年6月30日出刊的自然通訊(Nature Communications)期刊[2]

正在交配的果蠅。source:Luc
正在交配的果蠅。source:Luc

 果蠅:你也懂我?研究員:「瞭若指掌!」

果蠅因為生活史短、可大量繁殖,自20世紀初便是遺傳學研究者愛用的模式生物。同時,科學家們在果蠅身上建立了許多豐富且精巧的基因工具,以藉此觀察基因、神經網路與行為之間的關係:這些技術也已相當成熟,並在神經科學的研究上扮演了重要的地位。

而果蠅的求偶行為也已經被科學家們充分地觀察和定義,整個羅曼蒂克的求愛過程要從雄果蠅的主動獻殷勤開始:一開始牠會鎖定對象(orientation)並圍繞著心儀的雌性(following),接著嘗試與對方的肢體接觸(tapping與licking)並透過化學訊號來確認對方是否為適合的伴侶,進而使出十八般武藝拍擊振翅唱著情歌(singing),最終被心儀的雌性接受並成功交尾(copulation)達到傳宗接代的重要任務;過程中雌果蠅通常扮演著被動卻關鍵性的 「同意或拒絕」的角色。

科學家藉由記錄初次見面的一對果蠅在固定時間內雄果蠅對雌果蠅的求偶頻率,以及從互相見面到開始追求所花費的時間長短,得以量化雄果蠅性活動力的強弱。

Credit: Marla B. Sokolowski from Nature Review Source: Nature
Credit: Marla B. Sokolowski from Nature Review Source: Nature

多巴胺與性慾

多巴胺是一種重要的神經傳導物質(neurotransmitter),它能調節動物許多重要的生理反應,包括性慾與深陷羅曼蒂克的愛情。臨床證據顯示,當給予帕金森氏症(Parkinson’s disease)患者多巴胺促進劑治療後,除了可減緩病徵外,也曾有部分病例出現性慾增加(hepersexuality)的情況[3]。在傅在峰副教授此次發表的研究當中發現,不管是利用給予多巴胺前驅物(L-DOPA)的方式,或是利用基因工具增加老年雄果蠅的多巴胺量,皆可使上年紀的雄果蠅性能力顯著回升。

PPL2ab多巴胺神經元

果蠅的大腦中約有280顆左右的多巴胺神經元,根據這些神經元的細胞體及神經纖維的走向可以區分為13個群集(clusters)[4]。而本研究最大的突破,便是證實其中獨特的PPL2ab神經元群集為調控雄果蠅求偶行為強度的關鍵。

利用基因工具專一性地增加PPL2ab神經元的多巴胺量,可使40天大的老年雄果蠅的性活動力提升;反之,若專一性地抑制PPL2ab神經元的多巴胺量,則可使10天大的年輕雄果蠅的性活動力顯著下降。重要的是,多巴胺在這些神經元的變化皆不影響到果蠅的活動力(motor activity)、化學感覺的敏感性(感受性費洛蒙的嗅覺與味覺能力)與壽命。

雖然人類比果蠅大腦的神經網絡複雜得更多,但是了解果蠅腦中具有如此關鍵調控性活動力的神經元,是神經科學研究上重要的契機。透過理解這群神經元的分子調節機制,或許可提供未在來哺乳類動物研究上發現促進或抑制性慾開關的切入點,或許會成為改善老年人、性功能障礙者之性慾低下或人道地抑制性暴力者之性慾的契機。

Credit: Shu-Yun Kuo et al. Source:http://www.nature.com/ncomms/2015/150630/ncomms8490/fig_tab/ncomms8490_F5.html (a, b) Intersectional genetic approach基因工具原理示意圖 (c)利用intersectional genetic approach的方式可以專一性地顯示特定PPL2ab神經元在果蠅大腦的分布 (d,e)使用intersectional genetic approach專一性地增加PPL2ab神經元的多巴胺量並分析老年雄果蠅的性活動力,實驗組(深灰柱)相較於兩個對照組(淺灰及白色柱)性活動力顯著地提升。
Credit: Shu-Yun Kuo et al.    Source:Nature
(a, b) Intersectional genetic approach基因工具原理示意圖
(c)利用intersectional genetic approach的方式可以專一性地顯示特定PPL2ab神經元在果蠅大腦的分布
(d,e) 使用intersectional genetic approach專一性地增加PPL2ab神經元的多巴胺量並分析老年雄果蠅的性活動力,實驗組(深灰柱)相較於兩個對照組(淺灰及白色柱)性活動力顯著地提升。

References

  • [1] Corona, G. et al.Age-related changes in general and sexual health in middleaged and older men: results from the European Male Ageing Study (EMAS). J. Sex. Med. 7, 1362–1380 (2010).
  • [2] Shu-Yun Kuo et al. PPL2ab neurons restore sexual responses in agedDrosophila males through dopamine: Nature Communications 6:7490 (2015).
  • [3] Politis, M. et al. Neural response to visual sexual cues in dopamine treatmentlinkedhypersexuality in Parkinson’s disease. Brain136, 400–411 (2013).
  • [4] Mao, Z. & Davis, R. L. Eight different types of dopaminergic neurons innervate the Drosophila mushroom body neuropil: anatomical and physiological heterogeneity. Front. Neural Circuits.3, 5 (2009).

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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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「菲利浦島蜈蚣」成幼鳥殺手!——在澳洲孤島上默默擔當頂級掠食者

藍羊_96
・2021/09/22 ・2038字 ・閱讀時間約 4 分鐘

冒險電影中,場景時常在偏遠不為人知的荒山野嶺,甚至住著猛獸的遙遠孤島,有著顛覆常識的生態環境和駭人怪物。然而根據新發表在《美國博物學家》的一篇論文,在現實中就有一個島嶼,由蜈蚣擔當島上食物鏈的最頂端掠食者。

此菲利浦島,非彼菲利浦島

地點位在澳洲的菲利浦島(Phillip Island)——說到這個島嶼,可能會聯想到島上每年吸引上百萬觀光客的小藍企鵝棲地,以及世界摩托車競速的主要賽場之一。

故事並非發生在這個澳洲南岸的菲利浦島,而是在距離澳洲本土東方 1500 公里遠,過去做為囚犯流放地的諾福克群島。那裡有另一個面積僅 2.07 平方公里,無人居住的菲利浦島。兩個島正巧都以 18 世紀後半的英國海軍上將亞瑟‧菲利浦(Arthur Phillip)為名,但地理位置相距甚遠。

屬於諾福克群島一部分的菲利普島(Phillip Island)。圖/維基百科

無人定居的菲利浦島兇猛島民

菲利浦島有 13 種海鳥會產卵繁殖,還有一些小型動物在此生活。其中最引人側目的居民是菲利浦島蜈蚣Cormocephalus coynei),這種蜈蚣最長可達 23.5 公分,雖然比起現生蜈蚣中最大的 30 公分等級還差一些,仍遠勝長約 10 公分的常見蜈蚣。

研究團隊調查紀錄菲利浦島蜈蚣在夜間的捕食行為,並以穩定同位素分析蜈蚣的食物來源比例,發現這種蜈蚣的食物來源,48% 來自脊椎動物,52% 來自無脊椎動物,各占約一半比例。

菲利浦島蜈蚣最主要的食物是島上居住的蟋蟀、壁虎、石龍子,這些動物都小於體長超過 20 公分的大蜈蚣,算是合理的菜單。然而菲利浦島蜈蚣還有另外一個獨門佳餚,就是島上繁殖海鳥的幼雛。

菲利浦島蜈蚣(Cormocephalus coynei)。圖/ iNaturalist

菲利浦島蜈蚣的嘴下亡鸌

菲利浦島上最主要的築巢海鳥是黑翅圓尾鸌Pterodroma nigripennis),2017 年的紀錄約有 19000 對。黑翅圓尾鸌的成鳥體長約 30 公分,顯然蜈蚣面對牠們無法輕易取勝,因此脆弱的雛鳥就成為蜈蚣的下嘴目標。

菲利浦島蜈蚣會咬住黑翅圓尾鸌雛鳥的後頸並注入毒素,等雛鳥死亡後再啃食牠的頭頸部。而在兩年的調查期間,紀錄的雛鳥各有 19.6% 及 11.1% 被蜈蚣捕食。結合前面一年約有 19000 對黑翅圓尾鸌在此繁殖的紀錄來看,估計每年被蜈蚣吃掉的幼鳥在 2109~3724 隻之間。

其他在菲利浦島上繁殖的海鳥,活動期間可能跟蜈蚣活躍的夏季錯開,或是數量較少,黑翅圓尾鸌可能是菲利浦島蜈蚣最主要的獵捕鳥類。相較於脊椎動物吃節肢動物的紀錄,節肢動物大部分是清除死亡的脊椎動物屍體,像這樣反過來鳥類被節肢動物主動獵捕的紀錄非常罕見。

黑翅圓尾鸌的雛鳥慘遭蜈蚣獵捕。圖/參考文獻 1

咦,蜈蚣怎麼吃到海裡的魚?

根據穩定同位素分析,菲利浦島蜈蚣的飲食中有 7.9% 是鳥類,然而魚類卻有 9.6%。住在陸地上的蜈蚣要怎麼吃到海裡的魚呢?這是另一個值得注目的問題。

據推測海鳥帶回巢中,供應給雛鳥食用的魚屍,應該是蜈蚣能吃到魚的主要來源。也就是海鳥不僅本身是蜈蚣的獵物,牠們為了育雛的投食被蜈蚣吃掉後,也帶動了海洋和陸地間的營養循環。

過去在諾福克群島流放囚犯時期,由人類引入的山羊、豬和兔子等大型動物對島上的環境造成破壞,也讓當地獨有的生態體系遭受嚴重威脅。這些外來物種在 20 世紀期間逐一從島上移除,受破壞的環境現正緩慢復原。

雖然菲利浦島蜈蚣離最大的蜈蚣還有點距離,在牠所住的環境卻已經足以佔地為王。現已滅絕的諾福克卡卡鸚鵡(Nestor productus)體型比菲利浦島蜈蚣大,但以果實為主食,顯然不會威脅到蜈蚣作為掠食者的地位。

大英博物館內諾福克卡卡鸚鵡標本的畫。圖/維基百科

在島嶼生物地理學中,孤立海島上動物體型改變是一個重要的研究議題。在大陸上的大型動物,移居海島後因島嶼資源限制、天敵缺乏等因素,會縮小體型,稱之為島嶼侏儒化(Island Dwarfism);然而小型的動物卻會反過來巨大化,甚至取代原本大型動物所處的生態棲位,此現象即為島嶼巨型化(Island Gigantism)。

島嶼巨型化的案例如紐西蘭的奇異鳥、馬達加斯加島已滅絕的象鳥,以及在許多島嶼上各自獨立產生的巨大化齧齒動物;台灣在墾丁和部分離島分布的椰子蟹也是一個案例,不僅是保育類的甲殼動物,更是最大型的陸生寄居蟹。地處偏遠的菲利浦島,正是島嶼特殊生態系的一個案例,也是蜈蚣稱霸的極端案例。

參考文獻

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藍羊_96
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國立清華大學分子與細胞生物所博士生,國語日報科學版專欄作者。白天做植物標本,晚上讀演化文獻,假日寫科普文章。
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