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重建果蠅全腦神經網路地圖 助解碼人類大腦【2011.01.10秘書處】

本校腦科學研究中心主任江安世教授所領導的跨領域研究團隊,成功重建果蠅全腦的神經網路地圖,目前已將果蠅腦中一萬六千顆神經細胞,分別賦予辨識條碼。此一果蠅神經圖譜的成果,引起廣泛的重視,除99年12月2日發表在「當代生物學」期刊外,也獲美國「紐約時報」於同年12月14日報導。

江教授所領導的跨領域研究團隊約40人,投入果蠅神經網路圖譜的研究工作已將近十年。該團隊利用「逆向工程」的策略,將果蠅的腦拆解為標示綠螢光蛋白的單一神經細胞,再將這些得自不同腦的單一細胞組合在一個標準化的腦中,並將其形成的神經網路圖譜描繪出來,建構成一個高解析的三維神經影像果蠅腦資料庫,為腦科學研究提供了一項強而有力的工具。

在分析一萬六千顆神經細胞的高解析影像後,江教授的團隊表示,果蠅腦具有41個「局部運作單元」,6個神經纖維束「轉接單元」,各單元間透過58條神經纖維束相互連結。因人類及果蠅這兩種大腦的基本結構類似,生物學家認為這個全腦的神經網路地圖,將是解碼人類大腦的第一步。

因為果蠅的腦尺寸,橫寬約為600微米,工作人員須經過多個月的專業訓練,才能由初期一天可能連一顆腦組織都無法取出,進步到現在人人幾近每二分鐘即可取出一個完整的腦組織。江教授表示,在描繪果蠅神經網路圖譜的過程中,就曾因發現新的方法,使收集神經影像的速度加快五倍,但是考量到未來資料分析的一致性,得扔掉用舊方法辛苦所收集的三千個神經細胞的影像資料,當時真是心痛極了!

由於每一個果蠅腦的大小與形狀會略有不同,因此江安世教授的團隊分別計算了公母果蠅的平均腦尺寸,並各自建立了一個虛擬標準腦模型。他們將每個神經細胞的三維影像經過對位放進標準腦中相互比較。此外,每顆神經細胞都被編上一個條碼以資識別,這個條碼包含了神經核所在位置、該細胞所連結腦區,以及所使用的神經傳導分子等資訊。

由於所繪製的神經條碼為數字資訊,有利於電腦的快速運算分析,這使得江教授團隊得以解析果蠅腦神經之整體架構。江教授說:「果蠅腦是個超級電腦和格網電腦的混合體。由於愈來愈多的證據顯示:控制腦部發育與運作的基因藍圖在不同物種間高度雷同,因此人腦中也很可能具有類似的基本運作單元」。

研究團隊將繼續進行果蠅神經網路圖譜的建構,直到果蠅十萬顆神經細胞全數描繪完成。江安世教授亦隸屬於加州大學聖地牙哥分校,Kavli腦與心智研究單位的一員,他說:「我們的策略可以很容易地應用在建構其他模式生物的大腦神經網路地圖,如小鼠的大腦,雖然需要更大的規模。因測繪人的大腦更具挑戰性,這將需要新的標識及成像技術。在Kavli的研究團隊正在擴大腦的測繪工作,以便能夠包含一個繪製人類大腦的有效策略。」

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