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【科學講堂】神經元網絡 合作組腦部

2019-07-10
■腦部的構造令我們不容易明白它是如何完成工作的。 網上圖片■腦部的構造令我們不容易明白它是如何完成工作的。 網上圖片

大家可能都聽過神經元(neuron):不少生物的神經系統都是由神經元所組成;這些神經元有點像電子儀器裡面的電線一樣,將電子訊號從一個地方傳送到另外一個地方。許多神經元互相連接在一起,成為一個網絡,就形成了生物的中央神經器官,負責起控制身體、分析外來刺激,甚至是思考、學習的功能。不過,要理解這些神經元是如何合作達成腦部功能,一直是神經生物學家的一大難題。在生物學裡,我們希望理解各種器官、生物的形態,是如何幫助它們發揮應有的功用,比如說翅膀的結構,幫助了我們認識鳥類、昆蟲究竟怎樣飛翔;各種生物眼睛的構造,容許了我們理解各種生物如何感應來自世界的光;但對腦部來說,這種思路看來不容易。腦部看起來黏黏糊糊,表面凹凹凸凸的,讓人看不出個所以然,不易明白腦部是如何完成它的工作。因此,一些生物學家猜想,腦部運作的奧秘,可能跟各條神經元是如何互相連接有關的。連接組學(connectomics)就是一個近代興起的相關學術範圍,希望能夠詳細記錄下不同生物的神經網絡。

切開線蟲 找出神經元連接

2002年的諾貝爾生理學或醫學獎得獎者布倫納(Sydney Brenner),早在20世紀七八十年代就已希望能夠「開創先河」,先替一些較簡單的生物記錄下牠們的神經網絡。其後他挑選了「秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)」:這是一種不寄生於他人的線蟲,大約1毫米長,身體透明,主要生長在溫帶地區的土壤之中。

這種線蟲有兩個性別:一種是雄性,另一種卻是雌雄同體。這種線蟲的神經系統也比較簡單,只有數百條神經元,而且不同個體的神經網絡相對一樣,不會令研究的工作過於困難。不過,這樣看似簡單的網絡,已能夠讓這種線蟲展現足夠複雜的行為。

這項研究工作可能對很多人來說不是「賞心樂事」:我們需將這種線蟲在不同的地方切開,再利用顯微鏡在不同的橫切面上認清各條神經元,並找出它們之間是如何連接的。

不過,這項工作並沒有嚇怕布倫納和他的研究團隊,他們其後在1986年發表了這種線蟲雌雄同體一方的神經網絡圖譜。

不同性別 連接點有分別

時至今日,紐約的神經科學家Steven Cook和他的研究團隊,再利用電腦去分析當年布倫納的線蟲橫切面影像,以求減低當時用人手確認神經網絡的誤差。Cook更利用相同的電腦軟件去分析雄性線蟲的神經網絡,以便找出不同性別之間的差別。

他發現兩種線蟲性別之間,多達30%的神經元連接點呈現分別:同一個連接點在其中一個性別上的體積比較大,應該間接反映出這個連接點對那種性別的重要性。這為研究人員提供了不少未來的研究空間:神經網絡的不同,會如何影響不同性別線蟲的行為呢?

小結

今次這個新的神經網絡圖譜,跟我們認識的電子儀器設計或用於機器學習的人工神經網絡的樣子好像不太相同。人腦是否與別不同呢?不論如何,這次的研究成果都為我們對腦部的理解開多了一扇門。■張文彥博士 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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