【神經生物】光線用聞的:鼻子當成視網膜用會如何?

嗅覺究竟如何運作?

■ 哈佛大學一群神經生物學家已培育出能用鼻子「聞」光線的老鼠,這對科學家了解嗅覺的神經生理機制大有助益。

編譯 ∣?汪芃

  哈佛大學分子與細胞生物學系教授墨菲Venkatesh N. Murthy最近偕同校內同仁和冷泉港實驗室(Cold Spring Harbor Laboratory)團隊,運用光線來研究嗅覺,利用新興的光遺傳學(optogenetics),解開腦細胞如何分辨氣味的謎題。他說:「想要理出腦部如何感知各種氣味的差異,觀察腦部活動的分布圖似乎確實是最合理的做法。」

  這份研究發表於《自然神經科學》(Nature Neuroscience)期刊。長久以來,嗅覺及一些複雜的感官系統難以用傳統的方法探勘了解,現在這份研究成果為將來的研究方向指引了途徑。墨菲表示:「用氣味來研究嗅覺,是大家直覺會想到的做法。但氣味的化學成分很複雜,拿來研究的話,要區分嗅覺神經迴路十分不容易。」

  因此,墨菲和哈佛同仁及冷泉港實驗室團隊決定改用光線來研究嗅覺,運用新興的光遺傳學(optogenetics),研究腦細胞究竟如何分辨氣味。

  所謂光遺傳學技術,即將光敏蛋白(light-reactive proteins)整合進原本無法感知光線的感官系統。墨菲及同仁運用這些稱為離子通道視紫質(channelrhodopsins)的蛋白,輸入老鼠的嗅覺系統,培育出一批老鼠,這些老鼠的嗅覺路徑對氣味沒有反應,而是會對光起反應。

  墨菲指出:「想要理出腦部如何感知各種氣味的差異,觀察腦部活動情形,似乎確實是最合理的做法。但用嗅覺刺激的話,很難追蹤腦部活動,因為氣味五花八門,且常常難以捉摸。所以我們提出一個問題:如果讓鼻子像視網膜般運作會如何?」

  有了光基因工程改造的老鼠,研究人員便能歸納嗅球olfactory bulb中的活動情形。嗅球是腦中直接接收鼻子傳遞訊息的區域。光線的刺激很好掌控,所以研究團隊能設計各種實驗,分別刺激鼻子裡特定的感覺神經元(sensory neurons),並觀察嗅球受這些刺激後,產生哪些活動情形。

  墨菲說:「我們首先想知道的,是嗅覺反應如何形成,以及位置相近的腦細胞如何處理類似的刺激。」

  然而實驗結果顯示,嗅覺訊息在腦中的空間分布,並不是形塑嗅覺的唯一因素;嗅覺訊息的時間順序,也會影響我們感知氣味的能力。這項研究指出,除了歸納嗅球中的空間分布,「聞」的時間點也會影響我們對氣味的感知。這份論文不僅替未來嗅覺系統的相關研究指引方向,也為其他感官系統的神經迴路研究開闢了一條新路。

  

原文出處:Non-redundant odor coding by sister mitral cells revealed by light addressable glomeruli in the mouseNature Neuroscience

責任編輯:MissZoe

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8 thoughts on “【神經生物】光線用聞的:鼻子當成視網膜用會如何?

  • 2011 年 01 月 19 日 at 02:08:09
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    我認為標題十分誤導 (即使原作者曾用過類似的比喻)。
    本篇研究旨在以光,「精細操控」各個部位的腦神經元,
    (因為傳統手法,諸如微電極、藥物等皆無法成功同時達到即時且小區域,
    甚至到個別細胞程度的精細控制)
    並不是嘗試引入類似視網膜的系統到嗅覺迴路上。

    本手法之介紹可參考下面這篇 review:
    http://www.nature.com/nrn/journal/v8/n8/full/nrn2192.html

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      • 2011 年 01 月 19 日 at 16:23:14
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        看起來是這樣,所以我罵錯人了,
        很抱歉造成編輯群的困擾,在此致上十二萬分的歉意 orz

        我想還是建議讀者回頭去看原始報告,至少用詞比較不會如此誤導/浮誇。

  • 2011 年 01 月 19 日 at 17:07:16
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    To Wilson:
    不會困擾啦,有人很認真的看網站我們很開心的喔!^_^b
    有時候研究單位會用比較誇張的方式發新聞。可能是某種搏版面的策略吧!因此有人提出比較嚴謹的意見,對其他不是那麼瞭解該領域的讀者,也是有幫助的!(還請日後多來這裡玩~~)

    CASE板僕 敬啟

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  • 2011 年 01 月 19 日 at 19:22:30
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    Sacks的「錯把太太當成帽子的人」書中那位主角就是把聽覺當視覺用吧,所以只是感官問題,還是也有認知問題

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    • 2011 年 01 月 20 日 at 20:47:49
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      我想在這邊或許是不太一樣的問題。

      視網膜除了接受光線以外,尚還有進行初步的訊號處理,
      (即 retina processing,http://courses.washington.edu/psych333/handouts/coursepack/ch13-Information_processing_in_retina.pdf),
      而後再將訊號透過視神經傳達到腦部負責處理視覺的相關區域。
      (用很粗糙的比喻,有點像是自帶處理器的顯示卡,自行處理輸入訊號後,再把訊號丟給電腦的中央處理器)
      但本研究頂多將對光敏感的離子通道,透過基因轉植特別表現在嗅覺神經細胞上,使這些神經細胞有感光功能。但是這項手續並沒有把初級的訊號處理給帶進去。
      以電腦來說,像是把感光元件硬是接到電腦的其他迴路上,沒有自帶處理器,
      所以這些迴路有感光器訊號輸入,然後研究者可以透過調整光線輸入,觀察這些迴路的運作模式。

      至於老師談的 Sacks 提的例子比較像是腦中的聽覺跟視覺迴路干擾,
      拿電腦的例子來說,像是音效卡跟顯示卡的迴路封裝不乾淨,訊號互相干擾的結果,跟感官 (訊號輸入端,即視網膜/毛細胞) 關係不大。

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  • 2011 年 01 月 21 日 at 01:27:59
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    世軒,很高興知道神經研究已到了這麼精密的地步,分子生物層次的機理(mechanism)有人研究嗎?

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    • 2011 年 01 月 21 日 at 04:07:19
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      我不太確定老師指的是哪件事的 molecular mechanism,是說 retinal processing,還是感官迴路干擾,或者是其他神經生物學更一般的問題呢?

      因為我不是走神經生物學的人,所以下面的解讀可能不盡正確和完備。
      (這篇文章是因為剛好本學期系上的書報討論有人選這篇,聽過還有些印象)

      就 retinal processing 來說,
      「哪些基因和活動影響感光訊號被處理的過程」來說,是有些成果,
      (舉例: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20837674)
      「視網膜上感光器跟神經細胞組成的迴路長什麼樣子,做了什麼處理」,也有些實驗證據跟分析模型:
      (舉例: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18832034
      還有: http://www.nature.com/nature/journal/v468/n7326/full/nature09570.html
      第二篇引起了不少討論,雖然可能在工程學界早就為人所知,
      可是加一點 noise 反而提高訊息傳遞的準確度,
      就我的印象,對生物學界來說似乎是比較晚才引進的概念)

      至於「這些細胞怎麼接在一起發育成迴路,它的分子調控機制長怎麼樣」,
      我目前沒有找到很明確的答案,也沒聽說過有。
      (視網膜上不同類的細胞怎麼分化形成的倒是有些,不過跟細胞怎麼接在一起是不太一樣的事:
      http://www.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev.cellbio.042308.113259)

      如果是感官迴路干擾,就現行理論認為,牽涉到如腦部迴路重組之類的問題,
      有些相關的基因有被找出來,但是似乎目前為止沒有定論。
      (例如: http://rstb.royalsocietypublishing.org/content/364/1515/369.full
      請看第三段 "Molecular pathways mediating plasticity")

      當然以上問題都會遇到一個終極的一般性問題:
      「神經細胞之間是根據什麼分子機制,決定接在一起形成突觸 (synapse) 的?」
      「這些分子機制怎麼決定『空間上的定位』,在細胞表面『哪些區域』跟『哪些細胞』形成連結?」
      這幾個問題極端重要,諸如感官或記憶形成皆跟這些問題脫不了關係。
      神經生物學家們花了非常大量的人力與時間投入,是有些成果,
      (例如: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20920787)
      可是目前尚未有明確的定論就是,至少我和我老師還沒聽說。

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