2016年02月18日 星期四 23:57:08

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透視「看」世界的秘密

編譯/ 呂志翼、許敏

只要是研究神經科學,瞭解神經系統的結構、功能及功能性的網絡連結是至關重要的。主要來自美國和德國的跨國性科學家研究團隊,解析了重建在面積微小到只有114μm(微米)×80μm小鼠視網膜上的950個神經元,透過對視網膜神經突觸的結構解析,以及個別神經突觸相互連結的迴路內容,透視了窺〝看〞世界的秘密…。

研究團隊包含來自德國的馬克斯-普朗克醫學研究所(Max-Planck Institute for Medical Research)、美國的麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)霍華德休斯醫學研究所(Howard Hughes Medical Institute)的腦與認知科學系(Department of Brain and Cognitive Sciences)珍那理雅農業研究中心(Janelia Farm Research Campus)、加拿大的達爾豪西大學(Dalhousie University)心理學和神經科學系、以及來自奧地利的分子病理學研究所(Institute of Molecular Pathology)。

首先,是德國馬克斯-普朗克神經生物學研究所以及美國霍華德-休斯醫學研究所的教授與學生們,將小鼠大腦組織切成薄片,而後借助電子顯微鏡進行掃描,繪制了將近一千個神經元的老鼠與果蠅視網膜迴路的3D圖像基本模型,雖然所呈現的區域只佔整個視網膜的0.06%,卻是由300名學生耗時近3萬個小時繪制完成。

另兩組團隊則分頭行動,主要探討及偵測果蠅的視覺運動系統,探測確定方向的視覺運動;另一個小組對同一個探測器網路進行了分析,瞭解細胞如何對光線刺激做出反應。由於眼睛表面的光感受器細胞本身無法探測到運動,研究小組將重點集中到兩個下游處理的神經元細胞T4和T5。

一組研究人員使用半自動化的電子顯微鏡,以傳統的神經計算模式重建了果蠅視覺神經髓質的基本連接網絡,此一網絡總計有在379個神經元之間相互連結的8,637個化學突觸。研究結果也發現了一個新型的運動偵測迴路,此運動偵測迴路和視覺方向選擇性有相當一致的線路。

另一組研究人員則使用鈣成像技術,利用螢光蛋白標記細胞,這種蛋白能夠在神經元細胞處於活躍狀態時發光,可以顯示不同神經元細胞如何對4種基本運動方向,即向上,向下,向左和向右做出反應,特別是相對於”開”與”關”的反應。 

從這研究中,科學家們發現了視網膜 神經元的運動迴路,並進一步用已知的網絡運算試圖提出及說明其功能機制。這項能夠對老鼠和果蠅視神經網路進行測繪的研究突破,也標誌了科學家在揭開人類大腦謎團的道路上又向前邁進一步。

從封面圖看,球狀的是7個神經元的傳導網絡及它們和細胞或組織間的相互連結。整個圖中總共有112個藍色連結球,950個神經元總計有高達579,724個連結球,而一個小鼠的視網脈神經網路就有如此的複雜。

人類大腦含有大約800萬個神經元細胞,若以現有技術繪制完整圖像估計需要5.7億年。未來,這項研究技術將有望讓科學家繪制更為複雜的人類大腦圖3D圖,同時借助更強大的電腦運算來完成這項看似不可能的任務。

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