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腦神經網路3D影像系列報導 -「腦內嗅覺神經網路地圖」刊登於國際權威CELL期刊
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清大生科所研究團隊,以果蠅的「腦內嗅覺神經網路地圖」研究,榮登在最近一期權威期刊《細胞》上,試圖進一步解開構造近似的人腦之謎。
圖/江安世提供

聯合新聞網udn


  台灣首篇 清大論文刊Cell

【聯合報/記者陳嘉恩/台北報導】2007.04.0403:22am
科學家一直很好奇大腦如何把外界對感官刺激經由神經網路分析解讀。清華大學生技所所長江安世團隊完成果蠅的「腦內嗅覺神經網路地圖」,發表在最近一期權威的《細胞(Cell)》期刊,成為第一篇刊登在該期刊的台灣本土研究。

江安世說,果蠅和小鼠很多行為特徵都和人類類似。把果蠅大腦十三萬顆神經細胞的工作方式弄清楚,就能推衍出人類四十億顆神經細胞的工作方式。人類許多疾病或異常行為都和基因表達錯誤有關,這些發現將有助於明瞭人腦的功能,以便尋找出阿茲海默症、帕金森氏症等疾病的療法。

研究團隊把果蠅的腦神經網路圖譜以3D繪製,建構出嗅覺的傳遞路線。他們發現,嗅覺除經第一階層的觸角(相當於人類的鼻子)接收味道訊息後,會投射到大腦中樞神經的「蕈狀體」進一步處理。

果蠅嗅覺信號由第二階層傳達至第三階層時,神經元間的連結呈特定配對,代表嗅覺訊號會進一步轉譯在「蕈狀體」中解碼。江安世說,「蕈狀體」就像電腦的中央處理器,能夠整合視覺、觸覺等各種訊號後,再循不同路徑傳送。

江安世指出,果蠅和人類很相近,國外研究甚至發現果蠅會認得曾打過架的果蠅,也有同性戀行為。

他認為,十年內應可建構出完整的果蠅神經網路資料庫,到時可以用電腦模擬出感官刺激訊號送到果蠅腦內。未來也可能可以傳送假訊息到人腦內,讓人的腦神經網路感受到不存在的刺激。

江安世透露,因去年底中興大學生化所教授張邦彥投稿給《細胞》的論文被指變造圖片,最後主動撤回論文事件,這次論文投稿《細胞》了八個月才通過審核刊出,比平均三、四個月久得多。

江安世說,史丹福大學的果蠅研究團隊是清大的競爭對手,他們比清大遲三個月投稿,兩篇論文卻同期刊出。

論文刊出隔天,包括哈佛、史丹福和維也納等大學團隊也紛紛尋求合作。

 

自由時報 

果蠅腦神經傳導清大3D圖看穿

清華大學生物科技所教授江安世(左二)與指導的博士生林暉皓(左一)、黎思宇(右二)與秦安侖(右一),創下第一篇本土研究登上Cell期刊的紀錄。(圖/自由時報,記者袁世忠攝)

〔記者袁世忠/台北報導〕清大生物科技所教授江安世領導的研究團隊,以超高解析度、3D立體互動的方式,建立果蠅全腦神經網路與部分嗅覺圖譜,有助於神經科學家了解大腦如何感知周遭環境及學習記憶的關係。這篇研究登上頂尖學術期刊「細胞(Cell)」上,成為第一篇登上該期刊的台灣本土研究成果。

江安世的團隊,在國科會與教育部補助之下層層分析解讀果蠅神經網路,先將果蠅的腦部切片,然後一層層以電子顯微鏡拍照,再利用影像處理技術將照片重疊做成立體3D圖形,甚至製作成虛擬實境,讓研究人員了解神經之間連結情形,領先國外研究團隊一年以上。

不但如此,江安世表示,研究團隊也發現味道分子與果蠅觸角葉的細胞接觸後(第一層),信號會傳到後方的嗅覺小球(第二層),並且過濾雜訊、強化訊號,再傳至有如中央處理器的蕈狀體(第三層)中,進行分析判斷;最後才傳至腦部更高層位置,做出躲避、靠近等反應。

江安世進一步解釋說,這就好比坐在冷氣房裡上課,所有聲音通通傳進耳朵,但是學生因為專注聽講,因此過濾掉冷氣機轟轟聲,只聽到老師的說明一樣,神經網路會篩選判斷重要的情報。這個過程將有助於了解大腦如何感知周遭環境與學習記憶。

一九九一年國外有學者單單將果蠅嗅覺神經網路解讀出第一層時,就獲得二○○四年的諾貝爾生醫獎,而江安世團隊更找出第二、三層,學術意義非常重大。未來若能建立完整的圖譜,將可以協助治療人類腦部疾病研發,例如嗅覺障礙者,將可以利用訊號刺激神經,產生有如直接聞到的感覺。

果蠅基因表現與人相似

為何選擇果蠅,江安世說,果蠅的腦細胞僅有十三萬顆,不如人類的四十一億複雜,但是很多疾病、基因表現都很類似,甚至果蠅也會出現同性戀行為;加上果蠅研究從一九六○年代就開始,累積的學術資料非常豐富,因此後續研究多選擇果蠅進行。

 

中央社

清大發表腦內嗅覺神經網路地圖  國際矚目

(中央社記者楊淑閔台北三日電)行政院國科會國家型奈米計畫長期支持清華大學腦科學研究中心教授江安世研究團隊所發展出的「腦內的嗅覺神經網路地圖」,對於明瞭人腦的功能及腦疾病治療方法,有極大助益,已發表于本期學重要期刊「Cell」,受國際矚目。

       國科會今天召開「腦科學新發現─腦內的嗅覺神經網路地圖」記者會,由國科會副主委戴謙、清華大學校長陳文村主持,江安世提出這項受到國際矚目的重要發現報告。江安世指出,基因解碼及腦的認知與行為是上世紀末已顯現的兩個科學領域的重大研究成果;但是明瞭基因如何在複雜的腦神經網路中表達及運作,促使神經細胞發展出控制各種行為的功能,卻仍是個困難的挑戰鬥。

        國科會指出,清華江安世團隊利用已獲數項專利的高解析生物影像技術,以及果蠅可隨意觀察及操控基因的表達優點,發現果蠅腦內嗅覺信號自第二階層傳到到第三層時,神經元與神經元間的連結也具有特定,但不同于第一階層型式的配對。江安世表示,研究發現,嗅覺在觸角葉的編碼會更進一步轉譯在蕈狀體中再被解碼;而蕈狀體已知是嗅覺的關連性學習與記憶中不可缺少的腦內運算中心;經由蕈狀體的計算整合各種神經訊號後,再循不同路徑向腦內更高階層中心輸送。他並說,目前清大發現的是第三層,而層數的意義在科學家的解讀是作為層層把關,因為第一層對於訊號的接收沒有選擇性,更多層的篩選可將背景雜訊清除,讓真正訊號加強,再傳入腦內運算、做出決定。他預測10年內果蠅的全腦基因表現及神經網路資料庫可能建置完成。

       他進一步指出,基本上不同動物的單一神經細胞修復皆類似,這也是何以科學家選擇使用果蠅建置相關資料;「全腦基因表現及神經網路資料庫」計畫是結合「基因體計畫」及「腦神經網路研究」的歷史性大計畫,將有助於明瞭人腦的功能及腦疾病治療方法的研究,相信科學家將運用于採行最簡單、快速方式治療;目前並有研究機構透過相關研究解讀出同性戀如何產生。

        這項重大發現已刊登于2007年3月國際科學期刊「細胞(CELL)」,江安世也于今年3月,獲培育眾多諾貝爾獎得主的Howard Hughes醫學中心成立的JaneliaFarm研究中心之邀,于其今年3月開幕的第一個果蠅腦科學會議進行大會主講(Plenary talk),並將與國際學術機構進一步合作研究。

 

中廣新聞網(2007-04-0316:35)

入侵腦細胞神經網路地圖解密

眼睛看到的東西、鼻子聞到的氣味、舌頭聞到的味道,都是經由神經系統傳遞到大腦;清華大學的研究團隊,以最新的生物影像科技,成功建構出果蠅的腦部嗅覺神經的3D網路地圖,可以清楚的看到嗅覺訊息如何傳遞到果蠅的腦部,為腦部奧秘的解密,成功開啟一扇窗。(張德厚報導)

  動物利用各種感覺器官接受外界的刺激,不過真正產生感官感受的關鍵卻是在大腦,當前研究生命科學的最大挑戰,就是找出腦部是如何將外界的感官刺激,經由層層的神經網路逐步分析解讀後送到大腦。在國科會的支持下,清華大學生物科技研究所江安世教授的研究團隊,利用最新的生物影像科技,發展出超高解析度的果蠅全腦神經網路圖譜,目前已經以初步建構部分果蠅腦內嗅覺的3D網路,可以清楚的看到嗅覺訊息如何傳遞到果蠅的腦部。江安世:『我們發展了一系列新的生物影像科技,讓台灣領先其他研究團隊,能夠完整看到(果蠅)腦袋里面所有的神經網路連結。』

  江安世表示,由於果蠅腦部細胞的結構比較單純,又與人類腦部有許多共通性,因此除了嗅覺之外,未來還將繼續建構果蠅味覺、聽覺、視覺、記憶、求偶等腦神經網路,並進一步研究各種感官機制與神經疾病、老化之間的關連,研究的成果,將有有助於明瞭人腦的功能,並有助於阿茲海默症、杭廷頓跳舞症、甚至莫名的嗅覺、味覺喪失等跟腦部有關疾病治療方法的研發。江安世:『當我們現在進一步的知道腦袋里面的網路的時候,而且知道這個網路表達什麼基因,就讓科學家有機會說去運用什麼樣的機制,去治療這些人類相關的疾病。』

 

中國時報2007.04.04 

解開大腦密碼成果領先國際果蠅嗅覺神經地圖清大繪成

 
李宗祐/台北報導

人類大腦如何接受外界刺激,出現各種行為及認知,是當前生命科學研究最大挑戰。清大生物科技研究所以果蠅實驗,利用電腦三D繪圖,建構完成果蠅腦內部分嗅覺神經地圖,解開大腦處理分析嗅覺信號、聞出各種味道的機制。這項成果領先國際,已發表在上周出版的頂尖科學期刊《細胞》(Cell)。

這項研究由清大生科所所長江安世領導的研究團隊完成,對了解大腦如何感知周遭環境學習記憶有重大的啟發,論文發表後,引起美國哈佛大學、史丹佛大學和維也納全球前三大果蠅全腦基因圖譜研究團隊的興趣,均表示與我合作意願。江安世等人是我國第一組在《細胞》發表論文的研究團隊。

江安世指出,所有動物的行為都受大腦神經網路控制,神經科學家認為,人類許多異常行為是基因表達錯誤,但基因如何使神經細胞發展出控制各種行為的功能,是研究挑戰。他的研究團隊的終極目標,是利用果蠅建立全球第一個「全腦基因表現及神經網路資料庫」。

他表示,果蠅跟人類一樣,擁有嗅覺、味覺、聽覺、視覺、痛覺、學習記憶等認知及行為,甚至有同性戀行為。若能完成果蠅大腦神經網路地圖,對了解人腦功能及研究腦疾病治療方法有很大幫助。其研究團隊最大的貢獻是,解開果蠅大腦嗅覺神經網路第三階層如何處理嗅覺信號,聞出各種味道的機制。

他解釋,嗅覺信號的傳遞第一階層是透過鼻子嗅覺細胞接觸到味道的分子,經神經傳送到大腦特定接受器(二○○四年諾貝爾醫學獎得主李察亞塞爾在一九九一年研究證實這個機制而獲獎),再傳送到第二階層位於鼻子後面的嗅覺小球。但嗅覺小球如何把信號傳遞到第三階層的大腦蕈狀體,過去沒人知道。

清大研究團隊經過五年的實驗觀察,利用果蠅大腦切片以高解析度生物影像科技繪製出嗅覺小球經由投射神經接收信號,傳送到蕈狀體十七個不同接收區域,再依蕈狀體樹突出生來源及出生順序分析,分辨出各種味道的網路神經地圖。但蕈狀體如何再把各種信號傳送到更高階層,由大腦整合判斷要採取何種行為反應,仍待研究。江安世預估,依現有進度,「果蠅全腦基因表現及神經網路資料庫」可望十年內建置完成。

 

經濟日報

國網中心 科研團隊好夥伴

支援清大研究 建置三維神經網路影像資料庫

(曹松清)2007-04-11/經濟日報/D1/商業情報】

【新竹訊】台灣的腦科學研究有突破性的新發現。清華大學腦科學研究中心江安世教授團隊,以高解析度生物影像技術,觀察果蠅腦中嗅覺信號在腦神經網路間的傳送過程,這項關鍵性的發現將有助於人們逐一解開腦神經網路之謎。

這項發現發表在全球著名的生物研究期刊Cell中。國家高速網路與計算中心自2004年起投注其資訊能量優勢,支援此項腦科學研究計畫,共同建置全球第一個三維影像顯示的果蠅腦部基因表現資料庫;現階段已將歷年累積的成果完成網頁建置並規劃全球服務,以3D立體高解析度影像和全世界分享台灣腦科學研究的每一次珍貴紀錄。

在生物領域的科技平台研發上,國網中心了解科學家在研究過程中對於資訊科技及龐大資訊能量的需求。國科會副主委戴謙說:「好的研發,要有好的團隊做最有力的支持。」國家實驗研究院院長莊哲男指出:「國研院和國網中心一直努力扮演全國科學研發團隊最好的合作伙伴,以高效能網路、計算能量與資訊平台服務各領域科學研發的需求。」

國網中心計畫主持人謝昌煥博士表示,三維神經網路影像資料庫建置完成,預計將提供研究者一個全新的空間觀察角度,藉以發現前所未見新的神經連結或新的基因表現模式。未來永續的經營維運還需要更多的人才與智慧的投入,而集合更多跨學科領域的創新思考、及更全面的資源整合,相信將會是持續創造優質成果的最佳動力。」

其他相關文章,請參閱http://brc.life.nthu.edu.tw/news.htm 

  

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