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【科學講堂】觀察動物行為 了解腦部運作

2020-09-16

現今昌明的醫學,反映出我們對身體了解逐漸深入。不過,我們對腦部的理解,相對來說進展就比較慢。自我意識是怎樣來的?思想是如何在腦中產生的?這些都是一些引人入勝的問題。可幸的是隨茠韘~科技進步,我們對腦部運作的認識可能將要更進一步了。今天就讓我們分享一下近年在這方面的一些研究進展。

基因動手腳 思考會發光

大家可能已經知道,我們的腦部是由許許多多神經元(neuron)所組成。這些神經元互相連接,形成了一個複雜的網絡。一個認識腦袋的有趣方法,可能就是留意我們自己的思路和感覺,再觀察我們腦中的神經元在相同的時間究竟在做什麼。現今的科技,其實已經可以用一件儀器去量度數以百計、位於腦袋不同位置的神經元的活動。另外,我們也可以在動物的基因之中「動手腳」,以致每當神經元之間傳遞訊息、將鈣離子從一條神經元傳到另一條的時候,某一種細胞中的物質會因而發出熒光,這樣我們便可以看到哪些神經元正在活躍了。

不過如前所述,並不一定所有研究的方法都適用於人身上。而且人腦作為研究對象,現時還是過於複雜了一點:頭腦應該不如我們的老鼠,其腦袋中已經有上億條神經元;就算再「簡單」一點的果蠅,腦部也有大約十萬條神經元。

因此,在深入了解人腦之前,我們還是先得理解動物的腦袋才成。

然而,研究動物的腦部,有一個研究人腦時未必會出現的問題:我們無法與動物直接溝通,因此不一定能夠理解某些神經元活動的意義。不過幸好我們現在可以以千分之一秒的解像度去錄下動物活動的影像,再從動物的行為間接推論出牠們當時的感覺。當然,近年來大發神威的人工智能、機器學習等等用電腦分析數據的方法,也幫助了不少腦神經科學家從大量的數據中找出有意思的結果。

毒蛇刺激神經元 跳開之後仍恐懼

近年的這一類型研究,的確改變了我們對動物思想的看法。一直以來,我們傾向將動物看成是根據外來刺激而作出反應的「機器」:例如一隻飢餓的獅子看見眼前的小白兔,就會用盡全力撲過去。不過倘若眼前的小白兔不見了,獅子自然不會再亂動,而腦中的神經元也應該會歸於平靜,不再活躍。

之前在哈佛大學作研究的Jennifer M. Li及Drew Robson,卻在斑馬魚幼兒覓食的時候看到不同的情況:一般來說每條神經元每次應該只會活躍數秒,但他們卻發現斑馬魚幼兒腦中的一些細胞會活躍長達數分鐘之久。

他們甚至已經辨別出幾種不同的模式:當某一組神經元長期活躍的時候,那些斑馬魚就會留在原地覓食;而另一組神經元長時間活躍的當兒,斑馬魚就會游去其他地方,探索新的覓食領域。

這些神經元活躍的模式與斑馬魚飢餓的感覺看來沒有直接的關係,這就有點兒像我們登山的時候見到毒蛇:毒蛇的影像刺激了我們相關的神經元,告訴我們的身體要馬上跳開;不過跳開以後並不代表腦中的神經元不再活躍:因為恐懼的感覺仍在,而且可能還會在腦中揮之不去,致令與恐懼有關的神經元活動好一陣子。

相類的現象,其實也在果蠅、老鼠身上被發現,或許這代表我們正在慢慢地發現「心情」是如何在動物腦中呈現的。這方面的研究,也許能在未來容許我們更深入了解自己的各種思想,幫助我們戰勝各種情緒病呢。■張文彥 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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