Only Perception: 蟲兒靠計算找食物或避掉不愉快

2008-07-06

蟲兒靠計算找食物或避掉不愉快

Worms do calculus to find meals or avoid unpleasantness
http://www.physorg.com/news134223076.html

July 02, 2008

由於食鹽與嗆紅辣椒（hot chili peppers），研究者發現一個計算運算中心（calculus-computing center）那告訴蛔蟲迎向晚餐或轉向擴大搜尋。那是種計算機制，他們說，那類似那種驅使飢餓大學生到 pizza 的東西。

根據一篇發表於 7/3 當期 Nature 的論文，這些行為驅動的計算是在 "原生蛔蟲（primitive roundworm）內一個微小的、特化的電腦中完成，" 首席研究者 Shawn Lockery 說，Oregon 大學的生物學家，同時也是 UO 奈米科學研究所的成員。

在他們的論文中，研究者證明二種相關的、位置接近的化學感受（chemosensory）神經元，一前一後地作用，控制行為。左邊的神經元控制一個 on 開關，而對面右邊的則是一個 off 的開關。這些姊妹神經元所座落的位置十分類似哺乳類動物的二個鼻孔或二隻眼睛。而這些神經元則稱為 ASE（antagonistic sensory cues，拮抗性感知訊號）。

Lockery，這項發現有朝一日也許能夠幫助至少約 20 萬美國人，根據 NIH 的記錄，他們每年都為了涉及味覺與嗅覺的問題尋求醫學治療。

"這些電腦做了某些很棒的計算，區別各種味覺強度的變化率，" Lockery 說。 "這些蟲使用這些資訊尋找食物並避免毒物。"

Lockery 等人根據線蟲因味覺與嗅覺而改變方向的發現，於 1999 年在 Journal of Neuroscience 這份期刊中預測一種衍生運算機制（derivative-crunching mechanism）的存在。

"實際上，它們有二個鼻孔或二個舌頭，但因為它們如此地靠近，以致於那看起來真像是一個鼻孔或一個舌頭，而它們卻能相當有效地找到它們的環繞方式，" Lockery 說。"我們從行為實驗得知，線蟲正在做某種人類在做的事，但只有來自於行為反應的觀點。我們不知道腦中發生了什麼事。"

為了到達那裡，Lockery 等人使用一種新成像與分子工具，以及對於他們的蟲進行某些遺傳工程。

在一項實驗中，這些化學感受神經元攜有一種螢光蛋白，那基於神經活動改變顏色。在另一項實驗中，這些神經元攜帶受體蛋白，那能識別辣椒鹼（capsaicin，辣椒素、唐辛子），那是紅辣椒中的活性成份。

研究者發現，當鹽水的濃度較高時，螢光蛋白會從藍變成黃，證明左神經元（ASEL）在蟲繼續向前移動時活化了。當鹽分減少，右神經元（ASER）活化，但產生一種不同的行為；這些蟲開始旋轉，或搜尋，運動。

"在這個時候，我們想知道這些神經元是否真的在控制行為。如果 ASEL 真的發出訊號說，事情變得更好，那麼，如果你能夠人為地活化 ASEL，這些動物應當會像人類直接往 pizza 前去般，筆直前進，" Lockery 說。"相反地，如果你活化 ASER，這些動物應當會轉向尋找牠們的目標。"

根據辣椒鹼受體的實驗，事情確是如此。當辣椒粉原料灑在受體位於左神經元、且旋轉中的蟲身上，牠們會使其運動變成筆直。同樣地，當辣椒鹼施加到受體在右神經元的蟲身上，會使牠們從旋轉的運動變成向前爬行。

"我們在原生蛔蟲內發現了一個微小的、特化的電腦，" Lockery 說。"這部電腦計算了各種味道的強度，或濃度，的變化率。這蟲利用這些資訊來尋找食物，並避免毒物。"

他補充道，這種 on 與 off 開關細胞在哺乳類動物其他化學感受網路中的證據，"強烈地指出，類似裝置存在於人類的神經系統中。"

※ 相關報導：

＊ Functional asymmetry in Caenorhabditis elegans taste neurons and its computational role in chemotaxis
http://www.nature.com/nature/journal/v454/n7200/abs/nature06927.html

Hiroshi Suzuki, Tod R. Thiele, Serge Faumont, Marina Ezcurra,
Shawn R. Lockery & William R. Schafer
Nature 454, 114-117 (3 July 2008)
doi: 10.1038/nature06927