雷射果蠅遙控器：讓雄果蠅痛苦放棄求愛 - 成人話題討論

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Written By: PanSci|2014/08/11

社會互動對人們影響很大，因為這個過程讓我們學會如何在社會叢林中生存，小時候有被
狗追的經驗，就開啟了怕狗人生；曾經被心上人拒絕過，就再也不敢輕易告白；考試沒有
拿一百分被老師毒打一頓，就從此跟所有老師保持距離。我們知道人們會在事件中找到因
果關係，改變行為以避免下次受傷，但我們還不知道在大腦中，神經迴路如何記得這些不
愉快的事件而調整人們的行為，清華大學的團隊用果蠅自動雷射追蹤系統破解神經迴路影
響行為的機制。

果蠅的求偶制約常被用來研究基因跟大腦迴路如何調控特定社交行為。雄果蠅是個精蟲衝
腦的傢伙，無法克制下半身「見了就上」的強烈慾望，沒事就愛追求雌果蠅，有研究發現
雄果蠅跟心有所屬的雌果蠅相處數小時，經歷無數的告白失敗後，會灰心喪志的放棄追求
（Winbush et al., 2012），觸景傷情、殘留在雌果蠅身上其他男人的味道都是對雄果蠅
欲嚐禁果的懲罰，而抑制雄果蠅繼續求愛，但是科學家還不知道表現先前事件跟不愉快結
果的神經活動怎麼在腦中聯結，因為現在的技術很難控制雌果蠅行為，也很難在雄果蠅求
偶時有效調控神經元。為了解決這個問題，清華大學的團隊突破性的研發出自動雷射追蹤
暨光遺傳調控系統（ALTOMS），可以即時分析並調控兩隻自由果蠅的社會互動，傳統制約
研究以雌果蠅拒絕求愛和雄果蠅臭味當做懲罰，本實驗以高能雷射產生的痛覺作為懲罰，
訓練雄果蠅遠離雌果蠅。


雷射讓雄果蠅痛苦的放棄求愛

飢餓遊戲中，貢品在競技場內廝殺，全方位攝影機24小時不間斷直播他們的一舉一動，遊
戲設計師全程監控，適時調整遊戲難度。在利用ALTOMS的果蠅研究中，研究人員將一隻雄
果蠅和一隻處女果蠅放在果蠅競技場，讓雄果蠅自由求愛，攝影機全程錄影，電腦即時分
析影像，當雄果蠅靠近雌果蠅有告白嫌疑時，雷腦即時啟動雷射追蹤系統，向雄果蠅發射
高能（42 mW/mm2）藍色雷射產生痛覺，苦情的雄果蠅在一個小時內受到的挫敗，讓牠在
往後的24小時都對雌果蠅保持距離，顯示果蠅可以迅速形成長期記憶，聯結先前事件（靠
近雌果蠅）和懲罰（痛覺），改變行為（迴避母果蠅）。為什麼要特別使用處女果蠅？因
為交配過的雌果蠅身上有雄果蠅費洛蒙，也會影響雄果蠅的求偶記憶。

研究人員對雄果蠅進行60分鐘的訓練，當雄果蠅靠近雌果蠅距離3.5mm（相當於母果蠅的
體長）超過2秒鐘（避免雄果蠅因為路過雌果蠅而被電腦誤會），雷射槍會自動攻擊雄果
蠅，直到牠離開雌果蠅方圓3.5mm的神聖領域，受到雷射攻擊的雄果蠅傾向遠離雌果蠅，
而對照組傾向跟雌果蠅保持3.5mm左右的距離。此外，在60分鐘的實驗中，雄果蠅因為靠
近雌果蠅而引起的雷射次數及長度都隨著時間見少，顯示雄果蠅學會遠離雌果蠅以避免雷
射攻擊。

雷射攻擊對好色的雄果蠅真是錐心之痛，在自然條件下，雄果蠅要被拒絕5~7小時，才會
形成長期記憶而放棄追求，但利用雷射攻擊的空做制約，可以讓果蠅在1小時內形成長期
記憶，訓練結束後24小時都對雌果蠅竟而遠之，這種強烈又迅速成立的記憶，顯示雄果蠅
意識到自由移動的雌果蠅跟身上莫名的疼痛有關係。


啟動神經元研究的光遺傳學

科學家常用電極控制神經活動，卻沒辦法準確啟動或抑制特定神經元，為了了解錯綜複雜
的大腦，科學家必須找到方法，一次只調控一種神經元活動而不影響其他神經元活動。微
生物體內的光敏通道（ChR2）照射藍光後可以啟動神經元活動，將這種物質表現在動物的
神經元上，即可用來研究大腦迴路。

在雷射攻擊的制約訓練中，雄果蠅遇到雌果蠅拔腿就跑的其中一個步術是跳開，這個動作
很少發生在控制組的果蠅身上。研究人員將ChR2表現在果蠅巨大神經纖維，這對聯絡神經
元會將感覺傳遞到胸部運動神經元，啟動跳躍反射。ALTOMS對果蠅發射藍色雷射，相較於
對照組，有表現ChR2果蠅跳躍的機率較高。但這個作用只對頭部及胸部的雷射有效，腹部
則否，因為腹部沒有此神經元，表示光遺傳驅動的ChR2可以啟動果蠅運動神經元。


光遺傳調控神經迴路，傳遞懲罰訊號

在制約實驗中，雄果蠅怎麼將雌果蠅和痛覺連在一起呢？接近雌果蠅和痛覺散落在茫茫腦
海中，我們必須找到牽著兩個事件的神經紅線，才能解開這個秘密。

Painless基因的產物在產生痛覺中扮演關鍵角色，Pain是一個painless的突變形式，會產
生突變的Painless蛋白質。這種果蠅在60分鐘的強力雷射制約訓練中，跟健康果蠅一樣會
逃離雌果蠅，但結束訓練後移除雷射再測試牠們對雌果蠅的反應，突變果蠅的逃離表現卻
跟控制組差不多，好像什麼事都沒發生過一樣，顯示painless突變的果蠅沒有產生短期記
憶。

Pain-Gal4在許多腦部跟腹部神經元上都有表現，研究人員模擬操作制約訓練，將雄果蠅
跟處女雌果蠅放在果蠅競技場，但當雄果蠅靠近雌果蠅時，改發射足以活化ChR2卻不足以
產生制約溫和雷射。結果發現，活化胸部Pain-Gal4神經元的ChR2可以導致強烈的距離限
制記憶，程度相當於對正常果蠅用強力雷射產生的記憶，即使沒有強力的雷射能量，光遺
傳活化Pain-Gal4神經元可以模擬操作距離限制學習實驗中的懲罰，證明正常的Painless
基因產物在距離限制記憶的形成扮演不可或缺的角色。

ALTOMS可以即時分析果蠅互動行為，並訊速、準確的以兩種雷射追蹤動態果蠅的身體目標
，啟動光遺傳調控，是果蠅行為和神經迴路研究工具的重大突破，未來有機會藉由此設備
系統化的定位果蠅大腦中形成記憶的迴路。


資料來源

Ming-Chin Wu, Li-An Chu, Po-Yen Hsiao, Yen-Yin Lin, Chen-Chieh Chia, Tsung-Ho
Liu, Chien-Chung Fu, and Ann-Shyn Chiang. Optogenetic control of selective
neural activity in multiple freely moving Drosophila adults. PNAS. 2014, vol.
111 no. 14. 5367–5372, doi: 10.1073/pnas.1400997111

Winbush A, Reed D, Chang PL, Nuzhdin SV, Lyons LC, Arbeitman MN.
Identification of gene expression changes associated with long-term memory of
courtship rejection in Drosophila males. G3 (Bethesda). 2012
Nov;2(11):1437-45. doi: 10.1534/g3.112.004119. Epub 2012 Nov 1.

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　　　　　　　　　邏輯無助於科學。

　　　　　　　　　　　　　　法蘭西斯‧培根

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