不是魚，如何知道魚的快樂？

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撰文 | 孫睿晨（加州大學聖地亞哥分校博士生）

責編 | 陳曉雪

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春秋戰國時期，兩名思想家莊子和惠子曾經有過一場有趣的對話。庒惠二人出門遊玩，過河時看見了橋下河水裡的鰷魚。於是莊子感嘆：「鰷魚在水裡悠然自得，這是魚的快樂啊（鰷魚出遊從容，是魚樂也）。」惠子不同意，反問道：「你又不是魚本人，你怎麼知道魚的快樂呢（子非魚，安知魚之樂）？」 【1】

兩千多年過去了，惠子的這個問題仍然是個難題。因為，在我們對魚的行為（特定的游泳動作）與大腦活動（內心快樂與否）之間的對應關係有客觀的理解之前，回答這個問題只能憑主觀臆斷。

我們有可能知道魚是否快樂嗎？

2013年，美國霍華德休斯醫學研究所的一個研究團隊報道了一項重大突破：他們把熒光轉基因的幼年斑馬魚全身固定住，通過激光片層掃描顯微系統（light sheet microscopy）成功追蹤了斑馬魚的全腦神經元實時動態。【2】

?圖1： 被固定住的幼年斑馬魚的迷之大腦活動【2】

但是，實驗中產生信號的神經元，到底是哪些神經元？為什麼魚兒在被固定住的情況下，某些腦區會如此活躍，而另一些腦區卻近似靜止？由於沒有全腦圖譜，文章的作者無法進一步推斷魚兒大腦的各部位的功能，以及它們與行為的關係。

想要真正全面地理解大腦，還是需要構建全腦圖譜。

最早認真地去嘗試此事的，是被稱為「神經科學之父」的聖地亞哥?拉蒙-卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）。從1887年開始，卡哈爾利用當時最先進的高爾基染色法把各種動物（包括人的屍體）的大腦樣本切片染色後放到顯微鏡下觀察，並一筆一畫地把神經元臨摹了下來。卡哈爾妙手丹青的畫作，對神經科學的產生了巨大的影響（卡哈爾因此獲得了1906年的諾貝爾生理與醫學獎）。今年年初，這些畫作甚至成為紐約的藝術展覽「美麗大腦」（The Beautiful Brain）中的主角。【3】

?圖2： 眼部虹膜的細胞。作者：卡哈爾 （1904年）

?圖3：人小腦內的單個浦肯野細胞。作者：卡哈爾 （1899年）

但是，一個一個勾畫神經元距離構建「全腦圖譜」仍然很遙遠。大腦是由許許多多的神經元錯綜聯結而構成的。而這些錯綜聯結而成的神經元網路，組成了動物行為的生物基礎。

構建「全腦圖譜」，需要一種能夠同時定位每一個神經元的位置並區分兩個神經元連接處（突觸）的細節的實驗技術。不少神經元與神經元之間的聯結處只有不到十納米，而普通光學顯微鏡的解析度受光學衍射極限限制無法降到200納米以下。近年來發展迅猛的超分辨熒光顯微技術（super-resolution fluorescent microscopy）雖然能把這個極限降低至10納米 ，卻無法同時從大腦所有區域採樣。【4】電子顯微鏡技術是通過電子來展示物件的內部或表面的顯微鏡技術。由於顯微鏡的解析度普遍受其使用的粒子的波長限制（例：光學顯微鏡解析度受光的波長限制），高速運動的電子波長比可見光波長短，因此電子顯微鏡的解析度大大優於光學顯微鏡，能看見更細微的結構。

所以，目前只有電子顯微鏡技術能滿足構建「全腦圖譜」的要求：其解析度為0.2納米，並且能夠以該解析度同一時間在大腦所有區域採樣。

最近，美國霍華德休斯醫學研究所的Davi Bock研究團隊宣布，他們用透射電子顯微鏡技術（transimission electron microscopy, TEM）解析了一隻雌果蠅的全腦圖譜【5】。傳統的電子顯微鏡技術對樣本的體積有嚴格限制——樣本厚度不能超過100納米，而大部分的生物腦組織的厚度都超過100納米。雌果蠅的大腦體積大概為750微米x350微米（750000納米x350000納米）。他們通過改良傳統的電子顯微鏡，研發了一套新的透射電子顯微鏡平台，成功地將該雌果蠅的大腦切分成7050片，並對每一切片的每一部分拍照，一共收集到兩千一百萬張照片（106 TB）。

?圖4：果蠅大腦模型圖【5】

該團隊選取了果蠅大腦中與學習記憶行為相關的一個腦區（蘑菇體，Mushroom bodies）進行追蹤標記（由於同一個神經元前段和後段可能出現在不同腦切片的照片中），並因此發現了該腦區中一類新的神經元。

果蠅大腦中的其他腦區現在正由世界各地的實驗團隊分別追蹤標記。如果大家感興趣，也可以通過下載原始數據參與到果蠅大腦神經元標記的工作中來。（大家可以在這裡下載該果蠅的大腦全部影像數據，http://temca2data.org）。

Bock團隊報道的果蠅全腦圖譜是神經科學家們最新一次對果蠅全腦圖譜的嘗試。早在2016年年底，由台灣的江安世（Ann-Shyn Chiang）教授的課題組，英國謝菲爾德大學的Daniel Coca課題組, 以及美國哥倫比亞大學的Aurel Lazar研究組組成的跨國研究團隊公布了通過光學顯微鏡收集的果蠅全腦圖譜（其解析度低於Bock研究組的全腦圖譜）。【6】其全部影像數據可以在「果蠅大腦天文台」（Fruit Fly Brain Observatory）中找到（http://fruitflybrain.org/）。

作為最常見的模式生物，果蠅曾經為我們對遺傳學與神經科學的認知做出了巨大的貢獻。一百多年前，摩爾根（Thomas Hunt Morgan）通過研究果蠅發現了伴性遺傳規律與著名的三大遺傳定律之一的連鎖與互換定律，並獲得了1933年的諾貝爾獎。去年，研究生物節律行為的三位科學家獲得諾貝爾將生理與醫學獎，果蠅又是最佳助攻【詳見「如何把自己的導師『捧』成諾獎得主」】。

Bock團隊的研究，既標誌著我們終於具有了構建果蠅的全腦圖譜的能力，也標誌著我們對於大腦和對於自我的認知邁出了艱難而重要的一小步。從果蠅的全腦圖譜開始，解析構建包括魚在內更多生物的全腦圖譜，或許逐漸會變成現實。

到那時，關於惠子的問題，我們或許能夠調出魚的全腦圖譜和相關的行為學數據，答：吾非魚，亦知魚之喜怒哀樂。

參考文獻：

1.《莊子·秋水》

2. Misha B Ahrens, et al. Whole-brain functional imaging at cellular resolution using light-sheet microscopy, 2013, Nature Methods, 10:5, 413-420

3. https://www.nytimes.com/2018/01/18/arts/design/brain-neuroscience-santiago-ramon-y-cajal-grey-gallery.html

4. Eva Wegel, et al. Imaging cellular structures in super-resolution with SIM, STED and Localisation Microscopy: A practical comparison. 2016. Scientific Reports, 6:27290

5. Zhihao Zheng, et al. A Complete Electron Microscopy Volume of the Brain of Adult Drosophila melanogaster. 2018. Cell. 174, 730–743

6. Ukani N.H., et al. The Fruit Fly Brain Observatory: from structure to function. bioRxiv 2016. doi: http://dx.doi.org/10.1101/092288.

製版編輯 | 黃玉瑩

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