科學家首次繪製出動物神經系統的完整連接組

秀麗隱桿線蟲(圖:Steve Gschmeissner/Science Source)

日前,一組研究團隊成功繪製出秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)兩種性別的 7,000 多個神經連接組(connectome),也就是大腦神經元的所有對應組合。有望協助科學家進一步了解人類大腦如何運作,以及神經之間如何溝通。

連接組

秀麗隱桿線蟲全身僅有約 1,000 個細胞,其中三分之一為大腦和神經細胞,負責線蟲的控制動作和覓食等。這種線蟲為具有神經系統的動物中,構造最為簡易的物種之一。

早在 1970 年代,生物學家西德尼·布瑞納博士(Sydney Brenner)就開始對秀麗隱桿線蟲的突觸連結進行繪圖。他將線蟲的身體以瓊脂(agar)與鋨固化劑(osmium fixative)保存,接著仔細進行切片,以電子顯微鏡檢驗突觸的連接。布瑞納博士於 1986 年發表研究結果,繪製出線蟲的連接組,也促使許多生物學家開始對生物的連接組進行繪製。

但布瑞納博士的繪製方法為人工檢驗,忽略許多身體部位,且僅針對雌雄同體的線蟲進行繪製。阿爾伯特愛因斯坦醫學院(Albert Einstein College of Medicine)的發育生物學家史考特·艾蒙斯教授(Scott Emmons)則在數年前開始開發電腦軟體進行輔助,試圖繪製出更完整的突觸連接組,並同時重新檢驗布瑞納博士的研究結果。經過數年的時間,本月初於《自然》期刊上發表了兩種性別線蟲的神經連接組。

未來發展

根據這項研究顯示,秀麗隱桿線蟲的兩種性別:雄性、雌雄同體之間,神經突觸的連結方式有許多不同處。若能更深入判斷兩者神經連接的差異,有望揭露神經連結和行為間的關聯,但仍須大量研究才能了解。

目前也有許多研究團隊正進行神經連接組的研究。如哈佛大學(Harvard University)的一組研究團隊,正在分析秀麗隱桿線蟲的幼蟲其連接組與成蟲有何不同,以了解神經在生物成長過程中的改變;霍華德·休斯醫學研究所的珍莉亞研究園區(Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus)則是在繪製果蠅的大腦神經連結圖;美國的阿貢國家研究室(Argonne National Laboratory)也在對實驗鼠的大腦神經連結進行研究。

其中最複雜的便是美國國家衛生研究所(National Institutes of Health)於 2010 年斥資 4,000 萬美金(約台幣 12 億,港幣 3.1 億),試圖繪製出人類大腦連接組的計畫。但人類的大腦中有數十億個神經和數兆個突觸連結,複雜度遠高於線蟲,在短時間內無法完成。因此艾蒙斯博士希望線蟲神經的複雜度能協助科學家更了解人類神經系統的奧秘。

參考資料:

  1. Sheikh, K. (2019, July 3). Stored in Synapses: How Scientists Completed a Map of the Roundworm’s Brain. NYTIMES
  2. Albert Einstein College of Medicine (2019, July 3). First complete wiring diagram of an animal’s nervous system. phys.org
  3. Cook, S., (2019, July 3). Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes. Nature
Kyle
編輯,臺灣科技大學材料科學與工程系學生,平日喜歡閱讀、騎車,衝浪。

為你推薦