某科學の超電報

為什麼餓了就想吃,渴了就想喝水?中研院破解果蠅腦內迴路之謎

  • 是誰操控你飢渴的慾望?中研院破解腦內迴路之謎。圖/中研院提供

「一個人不先感到饑渴,便享受不到飲食的樂趣。」-奧古斯丁 ≪懺悔錄≫

是誰操控你飢渴的慾望?中央研究院分子生物研究所林書葦助研究員與本院國際研究生學程博士生芭雅希 (Bhagyashree Senapati) 組成的跨國團隊,解密果蠅腦中的神經迴路,首次發現一種名為 leucokinin 的神經傳導物質,透過調控不同的腦神經元,影響果蠅進行覓水或覓食行為,解開了渴、餓訊號在腦中相互作用的神經機轉,有助於了解更複雜的人腦。此研究成果已於今 (108) 年 12 月發表在《自然: 神經科學》 (Nature Neuroscience) 。

圖一、餓與渴普遍存在於動物界中。圖/中研院新聞稿簡報

 

解開未知的腦內驅動程式:是什麼讓我們知道餓了就要覓食?

林書葦表示,當人們口渴與肚子餓的時候,腦中會產生一種無形的驅力,讓我們想喝水或吃東西,心理學上稱這樣的內在驅力為「動機」。果蠅和人一樣,行為受到渴和餓的調控,果蠅只有在渴的時候會去尋找水源,只有在餓的時候對食物有反應。

動機系統在腦迴路中究竟是以什麼樣的形式存在、如何控制我們的行為、影響我們對外界刺激的反應,迄今仍是未解之謎,必須先找出與動機系統有關的神經元及腦迴路。

研究團隊發現,果蠅大腦裡的 LHLK 神經細胞釋放的 leucokinin ,同時是渴與餓的訊號。當果蠅口渴時,由於渴神經元,又稱為「反覓水神經元」 ( PPL1-γ2α′1、PAM-β′2a),屬於抑制性的神經細胞,像一道關閉的門,會抑制覓水行為,但 leucokinin 能抑制它們的活性,產生負負得正效果,打開通道,促使果蠅追尋與水有關的氣味。

小知識:leucokinin 是一種短的蛋白質鏈,稱為神經胜肽,過去只知道它在昆蟲中與維持體內水分平衡有關,但作用的細節並不清楚。當這類 leucokinin 神經細胞受到抑制、失去活性,或是被活化刺激,果蠅的行為會出現變化,即使是渴,也不會去找水,或是明明已經喝很多水,還是會去找水,表示這些神經細胞與渴有關 。

當果蠅飢餓的時候, leucokinin 也會被釋放,此時則是活化另一群餓神經元,又稱為「覓食神經元」  (PAM-β′2mp),會驅動果蠅進行覓食行為,尋找與食物有關的氣味。為什麼餓的果蠅不會去找水喝?因為大腦會釋放另外兩種神經傳導物質-血清素 (serotonin)  和 dNPF ,作用是抵銷 leucokinin 對渴神經元的抑制,致使渴神經元持續抑制覓水行為。(如圖二)

圖二、果蠅腦內的 leucokinin 透過影響神經活性,進而調控渴迴路及餓迴路。圖/中研院新聞稿簡報

果蠅如何做出正確的覓食抉擇?

林書葦指出,本次研究破解了果蠅大腦渴、餓神經細胞的神經迴路與交互作用,也代表口渴與飢餓的動機並非單純有一群神經細胞負責渴訊號,另一群神經細胞負責餓訊號;而是透過多種神經傳導物質的合作、競爭,去調控不同的腦神經元,使得覓水行為只在渴的時候出現,而不會在飢餓的時候產生,使果蠅能夠依據生理需求做出正確的覓食抉擇。(如圖三)

圖三、 leucokinin 的神經傳導物質透過調控不同的腦神經元,影響果蠅進行覓水或覓食行為。圖/中研院新聞稿簡報

從果蠅腦內動機系統看人類神經疾病

然而,為什麼渴的果蠅不會去找食物?除了 leucokinin 之外,是否還有其他的渴、餓訊號去調控?研究團隊將持續破解大腦的神經迴路機制。林書葦表示,

人類許多神經疾病,如憂鬱症、厭食症、成癮症等,都和腦內的動機系統有關。

相較於人腦有 1000 億顆神經細胞,果蠅的大腦只有 10 萬個神經細胞,功能卻一應俱全。本研究利用果蠅探討渴、餓訊號在腦迴路中的運作,盼找出果蠅大腦中與動機有關的神經迴路機制與神經傳導物質,有助於了解更複雜的人腦,為相關疾病找出成因及可能的治療方式。

圖四、林書葦研究團隊。(左至右:中研院分生所林書葦助研究員、第一作者芭雅希、中研院分生所曹昌暉博士)

  • 本文改寫自中研院新聞稿,原標題為〈是誰操控你飢渴的慾望?中研院破解腦內迴路之謎〉。
    論文:《A neural mechanism for deprivation state-specific expression of relevant memories in Drosophila 》
  • 此論文成果於 2019 年 12 月發表於《自然: 神經科學》(Nature Neuroscience)。
  • 本論文研究團隊包括第一作者芭雅希、本院分生所曹昌暉、阮奕安、林書葦、長庚大學生醫所邱泰翔、吳嘉霖;英國牛津大學Scott Waddell。

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