昆蟲的保幼激素影響大腦學習記憶

在昆蟲的成長發育中，有兩個激素佔有非常重要的影響，分別是保幼激素(juvenile hormone, JH)以及蛻皮激素(ecdysone)。大略來說，前者讓昆蟲保持幼蟲的特性，後者則是讓昆蟲展現出成蟲的特性。以果蠅來說，在羽化前會有一齡、二齡、三齡幼蟲(如圖一)，JH幫助讓幼蟲不會過早還未發育完畢就羽化。過去較少研究關注在果蠅成蟲後大腦迴路的發育對於學習記憶的影響，來自美國加州柏克萊大學的團隊─Sarah G. Leinwand, Kristin Scott─發現JH在剛羽化的果蠅大腦蕈狀體(mushroom body)同樣有重要的影響，JH讓剛羽化的果蠅在七天後能變得學習能力較好！結果發表在期刊Neuron上[1]。研究的結果總結在圖二。

圖一、果蠅的發育簡圖[2]

研究一開始，作者們發現在果蠅蕈狀體的峽谷細胞(Kenyon cell)中的α’β’亞型在剛成蟲的時候會特別有自發性的活動(spontaneous activity)，而這樣的現象在七天後的成蟲大腦就不會再出現。經過藥理測試後，以TTX抑制電壓敏感性的鈉離子通道並無效果。而使用EGTA去除掉胞外的鈣離子、用PLTX抑制電壓敏感性的鈣離子通道都能成功抑制自發性的活動，但抑制細胞內鈣庫的鈣離子通道卻不能抑制自發性的活動，最後經過用基因操作的方法，僅在成蟲才抑制α’β’亞型的cac這種鈣離子通道，證明了這個自發性的活動是電壓敏感性的鈣離子通道cac介導胞外的鈣離子傳入而導致的！

緊接著，作者嘗試回答為何會有這樣的轉變呢(讀者或可思考看看)？既然有無自發性的神經活動和發育時間有關，作者就猜了是否是JH扮演了角色，由於直接抑制JH的分泌會對果蠅有整體的影響，因此作者反過來抑制α’β’亞型在成蟲時接收JH的接受器(GCE、MET)。證明了α’β’亞型改變自發性活動是靠JH的作用！

但究竟這樣的轉變對果蠅有什麼影響呢？由於蕈狀體最重要的功能之一就是學習記憶，因此作者以PER這種反應觀察果蠅能否學習到厭惡的記憶(如下)，首先他們在果蠅腿上塗上蔗糖，接著給予果蠅奎寧，觀察果蠅是否會伸展口器，由於果蠅喜歡蔗糖，因此起初偵測到蔗糖都會想要吃，但奎寧是果蠅厭惡的東西，因此若吃到奎寧他們就會縮回去。藉由這樣訓練，看果蠅能否記住偵測到蔗糖，出現的會是奎寧，不能吃。

作者發現若直接抑制α’β’亞型在羽化後前兩天的自發性的活動，會嚴重影響七天後的學習能力。而若抑制JH的作用，也會讓記憶表現下降。因此羽化後的自發性活動以及JH對自發性活動的抑制，都是學習需要的。

圖二、剛羽化後年輕的蕈狀體會有較高的自發性活動與較高的鈣離子濃度，經過JH的調控後，七天後的蕈狀體活性會降低，同時也會發展出較高的學習能力[1]。

在此筆者認為此研究有幾個有趣且重要的部分，提出一些延伸思考：

1. 首先過去的研究似乎並沒有指出羽化後不同時間點有不同的學習能力，且此段時間學習能力和神經網路仍持續在改變，或能幫忙解釋不同研究間的結果落差。

2. α’β’亞型的活性過去已有研究指出會影響睡眠，當其活性高時會促進果蠅醒來，究竟是否是睡眠導致的需要有更多的研究

3. 本篇尚未找出為何剛羽化後的學習能力較低，筆者提出可能的探討方向。過去已知短期的學習能力受到γ亞型影響大，由於每個峽谷細胞的活化都會活化下游的泛抑制型神經元(APL)，造成回饋型的抑制，因此α’β’的活性高是否導致γ亞型活性低而抑制活動最後影響到學習能力？

4. 作者提到在α’β’亞型的自發性活動並不同步，因此代表不是這個亞型間的間隙型連結(gap junction，細胞之間形成小縫讓離子可以直接穿過)造成的，然此論點並不一定成立，間隙型連結已經知道並不是整個亞型全部都互相連結，過去研究以染劑染色，看到的間隙型連結會是少數幾顆相連成一組，形成很多組別，因此不同步也是合理的。

5. 作者在此研究中提出很有趣的觀點，海馬迴等也會有特定的自發性活動，而這些也對功能產生重要影響。那麼這些自發性活動的起源是什麼？是有表現cac就會有？而怎麼樣對網路產生影響讓學習能力變好呢？

筆者：強敬哲 C.C. Charng

參考資料：

1. Leinwand, S. G., & Scott, K. (2021). Juvenile hormone drives the maturation of spontaneous mushroom body neural activity and learned behavior. Neuron.

2. Flatt, T. (2020). Life-history evolution and the genetics of fitness components in Drosophila melanogaster. Genetics, 214(1), 3-48.