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June 08, 2008
科學最大的挑戰之一是要了解人腦的設計原理與起源。新研究已經闡明了演化上的腦部起源，以及它如何演化成如此複雜的結構。
這項研究指出不單是大小賦予了更多腦力，還包括在演化期間神經脈衝愈來愈複雜的分子處理，這讓動物能發展出更複雜的行為。
這項研究證明，在神經結合的結構中有二波複雜度的增加，可能已成為允許複雜腦部 -- 包括我們自己的 -- 演化的力量。大基石在大腦袋之前先演化。
當前的想法指出，神經連結的蛋白質成份 -- 稱為突觸（synapses）-- 從卑微的蟲到人類，在絕大部份的動物中都頗類似，而且是較大的動物在突觸數量上的增加，讓更複雜的思考成為可能。
"我們簡單的觀點：「更多神經」足以解釋「更多腦力」，不單是受到我們研究的支持，" Seth Grant 教授說，Wellcome Trust Sanger Institute，Genes to Cognition Programme 的大頭，同時也是此計畫領導者。"雖然有許多研究都在觀察神經元的數量，但沒有一個是在觀察神經元連結的分子組成。我們發現在不同物種的神經元連結間，蛋白質的數量有很大的差異。"
"我們研究大約 600 種能在哺乳類動物突觸中發現的蛋白，而且很驚訝的發現，這些只有 50% 能在無脊椎動物的突觸中找到，在單細胞動物中則約為 25%，那顯然沒有一個腦袋。"
突觸是神經之間的連結，在此來自於一個細胞的電氣訊號透過一連串的生物化學交換到下一個。然而，突觸並不單是焊在一起的接合點，而是迷你處理器，那賦予神經系統學習與記憶的特性。
很明顯地，這項研究證明某些涉及突觸的發訊、學習與記憶的蛋白質可以在酵母中發現，它們在這裡的作用是回應來自於其環境的訊號，例如因食物受限而產生的壓力或溫度改變。
"這一組在單細胞動物身上發現的蛋白，代表涉及簡單行為的古代或「原」突觸（protosynapse），" Grant 教授繼續說。"這一組蛋白，隨著無脊椎動物與脊椎動物的演化，由額外的新蛋白所美化，而這促成這些動物更複雜的行為。"
"突觸上蛋白的數量與複雜性，在多細胞動物浮現時首度爆發，大約在幾十億年前。第二波則發生在脊椎動物出現的時候，大概在 5 億年前。"
這個團隊最主要的成就之一是從蒼蠅的腦袋首度分離突觸蛋白，那證明無脊椎動物有一組比脊椎動物簡單的蛋白質。
對於了解人類思考最重要的是，他們發現，發生在脊椎動物身上的蛋白質擴展，提供了一池蛋白質，那能用來將腦部不同的部份製造成複雜的區域，例如皮質、小腦與脊髓。
因為分子複合體的演化，「大」突觸在大腦袋之前浮現，那或許是這些分子的演化事件，讓可在人類、靈長類與其他脊椎動物身上發現的大腦袋得以演化。
在動物的行為學研究中，其中突變使突觸基因混亂支持了這種結論：在脊椎動物中演化的突觸蛋白使得更廣泛的行為得以出現，包括涉及最高心智功能的那些。
例如，有一種「脊椎動物創新」基因稱為 SAP102，為一隻老鼠在解決迷宮挑戰時，校正學習策略所需，而且當人缺乏這一種基因時，會導致某種形態的精神障礙。
"突觸的分子演化類似於電腦晶片的演化 -- 增加的複雜性賦予它們更多力量，而這些具有最強大晶片的動物，能夠做最多，" Grant 教授繼續說。
簡單的無脊椎物種有一組簡單形式的學習，是基於簡單分子組成的突觸，而複雜的哺乳類動物物種則顯現出範圍更廣的學習類型，則基於非常複雜分子組成的突觸。（後略譯）
這項新發現對於了解人腦正常功能將很重要，而且與疾病研究有直接關連。Grant 教授的團隊最近已確認涉及人類認知受損的基因演化，並將這些不足在老鼠中塑模。（後略譯）
※ 相關報導：
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http://dx.doi.org/10.1038/nn.2135
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Christopher N G Anderson, Alex Bayes, Mark O Collins,
Catherine A Vickers, Mike D R Croning, Bilal R Malik,
Jyoti S Choudhary, J Douglas Armstrong & Seth G N Grant
Nature Neuroscience, Published online: 8 June 2008
doi: 10.1038/nn.2135
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