古典制約的懲罰學習
清大生命科學所博士班學生陳俊朝指出,神經科學家很早就發現,人類記憶的主要儲存位置,是大腦的「皮質層」,但大腦中的神經細胞多達近千億,要找出究竟是那些細胞參與工作,有如大海撈針。
所幸,果蠅與人類眾多基本生存行為相似,神經網絡的傳導又相對簡單,因此可以透過研究果蠅,推估人類長期記憶形成的機制。
只是,果蠅不會講話也無法與人類溝通,研究人員究竟該怎麼斷定牠的長期記憶確實存在?甚至確認存放記憶的具體位置呢?
最常見也最有效率的研究方法是「古典制約」的關聯式學習。研究人員先讓一群果蠅聞兩種氣味,一種搭配60伏特的電擊,另一種只有單純氣味,重複讓牠們學習10次後,隔天再「集體考試」,結果發現,高達70%的果蠅都會「趨吉避凶」,飛向沒有伴隨電擊的氣味,證實果蠅確實存在長期記憶。
基因調控蛋白質合成
由於動物要形成長期記憶,需要有新的蛋白質合成輔助,過去科學家已發現,果蠅若在學習訓練時,服下蛋白質抑制劑,隔天考試就很容易會「忘記答案」。
「但直接服藥的作法,會讓果蠅全身的蛋白質合成都受到抑制,無法精準判斷哪些才是參與記憶形成的關鍵細胞,」陳俊朝說。
為了突破過去研究的盲點,清大團隊採用基因調控的方式,將篦麻毒素(某種蛋白質抑制劑),一一作用在果蠅各個可能影響記憶形成的腦細胞上。
令人意外的是,即使在原本科學家公認的記憶儲存地──蕈狀體(約有2,500個腦細胞)阻斷蛋白質合成,亦不影響果蠅形成長期記憶,但同樣實驗若在左右兩側的兩個DAL神經元進行,果蠅就會忘記昨日的學習經驗。
清大的研究團隊也發現,DAL神經元內至少有兩組與長期記憶相關的基因──「CaMKII」與「period」,會在果蠅每一次的間隔式學習中被活化,顯見這兩個神經細胞確實影響長期記憶的形成。
休息有助學習
清大腦科學中心主任江安世認為,長期記憶的形成,或許遠比過去人類想像的複雜神經網絡簡單,很可能只要十幾個腦細胞就足以調控。
「我們預計再花兩、三年的時間,把所有影響果蠅長期記憶的關鍵腦細胞都找出來。」
他說,過去人類面對阿茲海默症、帕金森氏症及亨丁頓舞蹈症等神經性疾病時,只能被動以藥物延緩惡化,但透過這些研究成果,未來科學與醫學界將有機會研發更有療效的小分子藥物。
此外,他們也發現,曾在學習中適度休息的果蠅,會比不間斷訓練的對照組記憶效果佳,恰恰與人類的經驗法則不謀而合。
「不管是果蠅或人類,過度疲累都有損學習記憶的效能,所以家長千萬不要逼著孩子長時間坐著溫書,以免得到反效果,」江安世笑說。
「就在如針尖大小的地方,有十萬個天使踏足其上,翩翩飛舞。」這是神經遺傳學開創者西摩爾.班澤對果蠅腦細胞的讚嘆。透過拆解十萬個天使的魔法,人類大腦運作的秘密也呼之欲出。