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7月主題介紹—神經科學:從動物行為到人類大腦

說到自然界最複雜的系統,大腦當之無愧。腦神經網路中的細胞如何產生集體行為?神經系統怎麼調控複雜的動物行為?而神經科學研究又是如何了解人類大腦中的疾病與認知功能呢?除了分子細胞層級的研究,神經科學也著重跨尺度的系統研究,例如行為神經科學研究個體層級在自然情況下的行為模式與決策機制,認知神經科學則解析包括決策信心、價值評估等高層次人腦功能,而近年來動物實驗中的活體神經紀錄方法與非侵入式的人腦造影技術更為神經科學研究帶來許多新突破。

本月份 Investigator 小新聞報導了包含行為神經科學、人類大腦神經發育與疾病、神經系統對空間訊息的編碼與運算、以及認知神經科學的研究進展。即便神經系統相對簡單,昆蟲與模式物種仍展現相當複雜的行為動態,我們將報導昆蟲導航行為的模型[1]、線蟲行為的變異度[2]、並回顧近期動物行為研究對於系統性了解神經系統的助益[3]。過去研究解析帕金森氏症的分子病理基礎,但對此症狀所引起的神經動態尚不了解,近期的研究便利用活體中的鈣離子顯影方法記錄神經群落 (neural ensemble) 動力學受疾病的影響[4]。另外,成體中的神經發生 (adult neurogenesis) 是過去十年重要的神經科學發現之一,改變科學家原先「神經細胞數量固定」的理論,然而近期的研究又再次提出成體限制神經發生的證據[5],儼然成為研究社群內重要的科學話題。

活體神經活性記錄與非侵入式大腦研究工具對高層次的認知科學研究貢獻許多。計算神經科學家透夠已知的神經網路結構與動態系統模擬果蠅計算空間方位的神經基礎[6],生物物理學家藉由訊息理論與統計物理的分析方法證實海馬迴神經細胞編碼空間訊息的集體行為[7]。除了腦造影方法,非侵入式的腦刺激方法也成為認知神經科學的研究工具,我們將回顧這類技術的沿革[8]。人類認知研究方面,人腦造影的研究相當有趣地解析道德價值上的「作噁」與味覺系統中「噁心」的神經基礎與關聯性[9],此外,認知科學家試圖尋找「樂觀」、決策信心與對預測未來等複雜認知功能的神經基礎[10]。

解碼大腦是基礎研究的一大目標,然而就連「了解大腦」的定義也仍是神經科學家辯論的話題,其中” Nothing in neurobiology makes sense except in the light of behavior”一說,顯示由行為模式作為研究基礎的重要性,另一方面,近年內的神經活性記錄、造影方法也讓科學家能一窺「黑盒子」內在的神經動態、認知與計算功能。這個月份,Investigator 將首度帶領大家由動物行為與認知層級的角度認識神經科學的最新研究發展。

圖片說明:擴散磁振造影(Diffusion-weighted magnetic resonance imaging)記錄人類大腦白質中的神經纖維束
圖片來源:http://goo.gl/9Mi39v

參考文獻:
1. Hoinville T, Wehner R. Optimal multiguidance integration in insect navigation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2018 Mar 13;115(11):2824-2829. https://doi.org/10.1073/pnas.1721668115
2. Stern S, Kirst C, Bargmann CI. Neuromodulatory Control of Long-Term Behavioral Patterns and Individuality across Development. Cell. 2017 Dec 14;171(7):1649-1662.e10. https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.10.041
3. Krakauer JW, Ghazanfar AA, Gomez-Marin A, MacIver MA, Poeppel D. Neuroscience Needs Behavior: Correcting a Reductionist Bias. Neuron. 2017 Feb 8;93(3):480-490. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.12.041
4. Parker JG, Marshall JD, Ahanonu B, Wu YW, Kim TH, Grewe BF, Zhang Y, Li JZ, Ding JB, Ehlers MD, Schnitzer MJ. Diametric neural ensemble dynamics in parkinsonian and dyskinetic states. Nature. 2018 May;557(7704):177-182. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0090-6
5. Sorrells SF, Paredes MF, Cebrian-Silla A, Sandoval K, Qi D, Kelley KW, James D, Mayer S, Chang J, Auguste KI, Chang EF, Gutierrez AJ, Kriegstein AR, Mathern GW, Oldham MC, Huang EJ, Garcia-Verdugo JM, Yang Z, Alvarez-Buylla A. Human hippocampal neurogenesis drops sharply in children to undetectable levels in adults. Nature. 2018 Mar 15;555(7696):377-381. https://doi.org/10.1038/nature25975
6. Su TS, Lee WJ, Huang YC, Wang CT, Lo CC. Coupled symmetric and asymmetric circuits underlying spatial orientation in fruit flies. Nat Commun. 2017 Jul 26;8(1):139. https://doi.org/10.1038/s41467-017-00191-6
7. Meshulam L, Gauthier JL, Brody CD, Tank DW, Bialek W. Collective Behavior of Place and Non-place Neurons in the Hippocampal Network. Neuron. 2017 Dec 6;96(5):1178-1191.e4. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.10.027
8. Polanía R, Nitsche MA, Ruff CC. Studying and modifying brain function with non-invasive brain stimulation. Nat Neurosci. 2018 Feb;21(2):174-187. https://doi.org/10.1038/s41593-017-0054-4
9. Chapman HA, Kim DA, Susskind JM, Anderson AK. In bad taste: evidence for the oral origins of moral disgust. Science. 2009 Feb 27;323(5918):1222-6. https://doi.org/10.1126/science.1165565
10. Sharot T, Riccardi AM, Raio CM, Phelps EA. Neural mechanisms mediating optimism bias. Nature. 2007 Nov 1;450(7166):102-5. Epub 2007 Oct 24. https://doi.org/10.1038/nature06280

撰文│陳 曦
審稿│呂昆霖

About the author

陳曦

台大生科系畢業,目前於普林斯頓大學攻讀博士班。研究領域為系統與計算神經科學,也對生物物理、 系統生物學與複雜系統感興趣。大學至UCLA暑期實習、於復旦大學研究交流、碩士班研究於中研院物理所。大學時期推動系學會學術活動、撰寫科普文章,希望對跨領域合作、科普知識的推廣盡一份心力。期待持續在Investigator社群結識志同道合的朋友,推廣學術訊息、分享研究經驗的過程中互相學習。

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呂昆霖

目前任職於長庚醫院的小小實習醫師,相當嚮往從基礎研究出發改善臨床上的照護與治療,也因此有了一點實驗室的學習經驗。目前主要參與風濕過敏科的世代研究,也正在規劃漿細胞相關的基礎實驗,未來預計出國修習免疫學。Investigator 一直都有熱心而優秀的成員為了推廣生醫研究而貢獻,很期待繼續跟這麼一個大家庭一起努力!

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