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更新日期:111年3月23日

分子醫學研究所潘俊良教授團隊發現記憶與學習的相關機制

生物體的認知與行為功能隨著生理條件不同而改變,此種由內在狀態(internal state)所誘發的行為可塑性廣泛存在自然界中,這是行為與認知神經科學最基礎的現象之一。當組織器官的功能受損,產生細胞壓力時,也會導致生物行為的改變,藉此在不利的環境下趨吉避凶,提升存活的機會。本校分子醫學研究所潘俊良教授實驗室發現,當線蟲面臨細胞壓力時,會透過血清素(serotonin)的神經迴路誘發記憶與學習行為,相關論文已刊登於知名期刊《美國國家科學院院刊》PNAS

線蟲的神經元數量僅有302個,但由於分子生物學工具的先進,以及對其神經系統構造的解析已達電子顯微鏡的層次,加上其多樣化的行為,是現代神經科學研究最重要的模式系統之一。潘俊良教授實驗室透過抑制粒線體的呼吸作用產生細胞內部壓力誘導線蟲,將同時出現的「無害細菌氣味」與「細胞壓力」連結而進行制約學習,使線蟲對細菌產生躲避行為,與古典制約學習的模式有近似之處。此種學習近似「一朝被蛇咬,十年怕井繩」:被蛇咬讓受害者連帶對外觀與蛇相似的物品都產生恐懼記憶,這種負向學習與記憶的功能對生物體在自然界存活非常重要。潘教授實驗室進一步發現,線蟲的NSM神經元在壓力的早期即增加血清素的合成與分泌,並與記憶的形成有關。由NSM所釋放的血清素與RIB中間神經元上的SER-4血清素受體結合,使RIB具有喚起記憶的功能。此種由不同神經細胞控制記憶不同層面的迴路機制,與哺乳類的記憶機轉有共通之處。值得一提的是,由於線蟲體積甚小,因此潘教授團隊將線蟲放入微流體通道中,以高靈敏度的鈣離子螢光攝影,捕捉線蟲神經細胞對細菌氣味的反應,發現粒線體壓力使NSM及RIB神經元對細菌氣味產生全新的反應,暗示記憶與行為可塑性來自於神經細胞活性的改變。

本研究主要由碩士班研究生江玥蓁同學完成,江同學於2020年碩士班畢業後留任研究助理,完成整個計畫,將論文投稿,並在三個月內完成期刊審查所要求的追加實驗,江同學將至美國約翰霍普金斯大學繼續深造博士課程。另外,最早於實驗室開展線蟲行為的相關研究的畢業博士生廖健博,目前在美國哥倫比亞大學進行博士後研究,也是本論文的共同作者。本研究由科技部及精準醫學中心研究經費支持,特此致謝。

潘俊良教授實驗室:https://chunliangpan.weebly.com/
分子醫學研究所:http://molecular.ntu.edu.tw/
論文全文網址:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2115533119?fbclid=IwAR0cuGgLeoDPQPnODXzcw18n3IQQqyt0wB_zW_d1wDP3o7elUqTd5hErVi8

  • 圖1

    分子醫學研究所潘俊良教授團隊發現記憶與學習的相關機制

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