大腦的神經迴路同時具有隨機跟確定性

大腦神經元的命運如何決定? 這個問題的答案很有探討的價值，多數人可能會認為一切都是注定的，基因中會有一個明確的機制由內而外構建起整個神經網路，其中每根神經元要從哪個腦區開始生長，並且要負責哪種訊息傳導也都是確定的，然而這篇文章卻告訴了我們大腦神經元的生長機制並非如此。神經元的命運決定必須在大腦區域之間進行協調，以便建立不同傳入神經元及其目標神經元的正確化學計量，而這項連結要從外圍開始進行，並且採取的機制是隨機的。許多感覺系統便是利用這樣隨機的命運規範來使神經元類型多樣化並創建感覺受體的鑲嵌體。這些隨機的命運決定在外圍做出後，會傳送到大腦處理中心，以確保保留準確的資訊。這些正確的資訊會提供大腦足夠的資訊來生成適當數量且為正確類型的目標神經元來連接相對應的感覺受體。文章中有提到一些例子，其一為人類視網膜中紅色和綠色視錐細胞與雙極細胞之間的連接，還有小鼠嗅球中的腎小球會接受隨機指定的嗅覺受體資訊並投射到正確的位置。儘管有實例，但隨機確定的感覺系統將決策傳遞給大腦目標的機制仍然未知。

圖中展示的是果蠅視覺系統。在果蠅視網膜中，具有不同紫外光譜敏感性的不同類型的顏色敏感R7感光受器，其命運和位置分布是隨機的，而接收其輸入的視葉神經之生成是高度規範過的，也就是“固定數量的神經母細胞遵循嚴格的時間程序和空間程序確定順序產生相同類型的神經元”。R7感光受器具有不同亞型，而作為其後突觸標的之Dm8神經元亦具有不同亞型，且與R7的亞型有準確的對應關係。特別的是，Dm8的命運早已被注定，並且過量生成，當接收對應的R7感光受器訊號後才會存活，多餘的Dm8亞型會經歷程序性細胞凋亡，這使得Dm8能夠適應 R7 亞型生產中的隨機變化。而R7-Dm8的匹配是經由兩種互補的細胞黏附分子介導的，其種類會隨著亞型變換，舉其中一種亞型為例，R7中的Dpr11跟Dm8中的受體DIPγ會負責這項連接。任一分子的缺失都會導致相應的 Dm8 亞型死亡或其與不同的 R7 亞型的錯誤配對。這些機制促進 R7 亞型與其大腦中目標 Dm8 神經元的準確匹配。

總體來說，大腦神經迴路的行程除了會藉由隨機跟確定的命運機制交互作用來生成外，程序性細胞凋亡也參與了目標神經元與其傳入感覺受體的匹配，只有接收到目標提供的細胞黏附分子後，特定神經路徑才會確立。

撰文：陳意融

Reference:

Courgeon, M., & Desplan, C. (2019). Coordination between stochastic and deterministic specification in the Drosophila visual system. Science, 366(6463), eaay6727.