線蟲的神經迴路與決策行為

              想像一個日常的場景：清晨，剛甦醒的你，嗅到陣陣香氣，循著氣味走到餐廳，桌上是濃郁的咖啡與熱氣蒸騰的奶油吐司，你正在猶豫，是要先咬一口吐司，還是喝一杯咖啡，以開啟美好的一天。一個平凡的場景，充斥著各種選擇，我們總是不假思索得作出決定，然而這些決策，是如何在大腦裡形成，並回饋到行為上，一直是個受關注的問題，神經科學家們，熱衷於此已有數十年的時間。

進行決策(Decision-making)相關的眾多行為中，最簡單的層次稱為行為選擇(Behavioral choice)，行為選擇是指在多個感知刺激下，選擇其一刺激，並以對應的行為作為反應。譬如說，生物感受到兩種氣味的刺激，決定選擇其一，並趨向氣味來源。神經科學家一直致力於將行為選擇與腦中的神經迴路(Neuron circuit)作連結。先前的研究，主要專注在靈長類或其它小型哺乳類動物上，然而，獲得的突破有限，最主要的瓶頸在於相關聯的神經迴路數量龐大，難以確認是哪一個迴路主導行為選擇。相較於哺乳類與昆蟲，秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)在行為選擇的研究上具有優勢。線蟲是個具備決策能力的微小神經系統(Nervous system)，神經細胞(Neuron)數目只有302顆，重要的是，神經科學家已建立線蟲的神經迴路圖(Wiring diagram of the worm)，並且透過基因技術，改變線蟲神經細胞的特性，讓辨識每一顆神經細胞對行為的影響得以實現。

研究線蟲的行為選擇，首先面對的問題，是該如何定義線蟲的行為？這個問題在線蟲早期的研究中一直是個困擾，因為我們無法精準地量化刺激，就無法透刺激類型來分類線蟲的行為。拜科技進步所賜，神經科學家透過微流控技術(microfluidics)，得以製作精準的化學分子的濃度梯度，並觀察線蟲在模擬的環境中所展現的行為選擇，可歸納為四種：

(一) Go & non-go:

 化學分子刺激或頭尾的碰觸，觸發線蟲趨向或趨離刺激來源。

(二) Behavioral competition:

 同一種化學分子刺激，因關聯性條件(Associative conditioning)不同，驅使線   蟲產生兩種相反的行為，趨向或趨離化學分子來源。

(三) Stimulus competition:

 兩種不同的化學分子刺激，驅使線蟲趨向其中一種化學分子的來源。

(四) Stimulus and behavioral competition:

 兩種外在刺激所引發的兩種不同行為間的競爭。例如：依線蟲的偏好，可將外部刺激(化學分子、電擊、熱等等)分為喜好與厭惡兩種，當線蟲必須通過施予厭惡的刺激的區域，才能到達食物或喜好的氣味來源時，部份線蟲會忍受厭惡的刺激，而到達食物或喜好的氣味來源，但也有部份線蟲無法忍受厭惡的刺激而選擇避開。

        這四種不同的行為選擇，雖然背後邏輯截然不同，但是，不論是趨向行為或是趨離行為，本質上是由兩種不同動作組合而成，一是線蟲規律地擺動，並沿一特定方向前進，神經科學家稱之為蠕行(Runs)。二是線蟲讓身體大角度的彎曲，以改變原行進方向，神經科學家稱之為迴旋(pirouettes或 Turns)。只要能夠掌握兩種動作、外部刺激與神經細胞的關聯性，基本上就能夠掌握，線蟲的神經迴路應對環境刺激的機制。

        近十年，神經科學家仰賴活體的鈣離子影像法(Calcium imaging)，建立外在刺激與神經細胞反應的關係。透過基因技術，從線蟲發育的過程中，調控神經細胞的特性，以確認行為與神經細胞的關係。由已知的神經細胞數據，可歸納出四類：

(一) Sensory neurons (大約21顆)

 細胞表面佈滿受體，能感知到氣味、離子濃度、溫度、氣體濃度與振動，細胞的膜電位與外在刺激強度變化有關，依反應不同，又可細分為兩類，一是當刺激強度增強時，膜電位上升，神經科學家稱之為On cell，反之，刺激強度減弱時，膜電位上升，神經科學家稱之為Off cell。

(二) Sensory interneurons (大約38顆)

       接收來自Sensory neurons與Hub neurons的刺激，Sensory interneurons的活性與線蟲的蠕行與迴旋有直接關係，依照與動作的關係可分為兩類Runs 與 Turns，哪一類的神經細胞活性較高，就會驅使線蟲作出對應的動作，基本上是進行行為選擇的核心區域之一。

(三) Command interneurons (10顆)

 接接收來自Sensory interneurons的刺激並執行動作，部份神經細胞控制motor neurons使線蟲能夠直線前進(Runs)，另一部份則控制motor neurons使線蟲能夠轉向(Turns)。

(四) Excitatory motor neurons (51顆)

       控制線蟲身體側面的肌肉細胞，以作出擺動前進，或大角度彎曲轉向的動作。

       

        總結線蟲的行為與神經細胞特性的研究，神經科學家已能夠將線蟲的行為選擇與神經迴路相匹配，提出數個初步的模型，以解釋不同情境下的行為選擇。在一些卓越的研究中，更發現線蟲具有各種，已經證實與靈長類的學習(Learing)、回饋性的決策(Rewards in decision-making)相關的神經傳導物質(neurotransmitter)與神經調節物質(neuromodulators)，若能更進一步解析這些物質對現有模型影響，勢必能為高等生物的行為選擇或學習行為的研究，帶來更大的啟發。

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撰文者：蔡昇益

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原始論文:

S Faumont, TH Lindsay and SR Lockery(2012) "Neuronal microcircuits for decision making in C. elegans."  Current Opinion in Neurobiology
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959438812000840