多工處理的極致--果蠅的CT1神經元

在建立神經網路、模擬大腦行為的過程中，神經細胞常被簡化為點單元，意即神經像一個點，所有資訊整合到這個點，經處理後再輸出，把神經細胞複雜的分支結構省略了，適度的簡化可大幅加快神經模擬的速度，尤其是在神經數量成千上萬的網路中。但並非所有神經元都能依樣畫葫蘆，人類視網膜中一類神經元「無長突細胞」(amacrine cell)即為一例。無長突細胞具側向抑制(lateral inhibition)的功能，可使雜訊降低，濃縮重要資訊，在先前的研究中，此類神經元被發現單一細胞就有多於100個小單元，可獨立處理資訊[1]。今天要介紹之果蠅腦中無長突細胞--CT1神經元則更為極端，一顆神經似乎就擁有1400個處理單元(Fig. 1)。此研究由馬克斯•普朗克神經生物學研究所(Max Planck Institute of Neurobiology)的團隊進行之，成果發表在Current Biology。

果蠅的單側複眼約具有700個小眼，而CT1神經元一共僅僅兩顆，各分布在左右腦視葉(optic lobe)中，視葉中的子腦區是具有視網膜拓撲特性的(retinotopical)，也就是說700個小眼的視覺訊息，會有規則地傳入這些子腦區中。讓我們聚焦在其中一顆，CT1分布在視葉中的兩個子腦區(MED, LOB)，每個小區塊(compartment)分別和所處位置的神經形成突觸(synapse)，因此共約有1400個小區塊。

理論上來說，分布如此廣泛的神經應該會使接收到的資訊混合在一起，但有趣的是，每個小區塊都有高度獨立的接收域(receptive field)，和鄰近的區塊只有少部分重疊。相鄰區塊怎麼能不互相影響呢？作者Meier取得了電子顯微鏡的資料[2]，並對其中11個CT1個區塊進行電腦模擬重建(Fig. 2)，從Fig. 2的圖中箭頭標示處，可以看到許多區塊和主分支之間具有細長、環狀的結構，根據作者所述，這樣的型態可以比區塊和區塊直接連接的距離還要長上10倍，而且因為細長的特性，使得細胞內電阻更高，更不容易將一個區塊的資訊傳往其他區塊，使得每個小區塊幾乎可以獨立處理當地的資訊。當作者呈現他的實驗結果時，另一作者Borst言道"真是個奇妙的細胞！"[3]。

過去已經有非常多文獻指出，有哪些神經在果蠅腦中參與運動檢測器(可以偵測物體的移動方向，如上下左右)的功能，但詳細的機制仍未被解開，在這篇論文中，作者也有用模擬表明CT1的特性是運動檢測器所需要的，並推測CT1在其中可能扮演的角色。期待在未來可以明白這顆極致多工的神經元，究竟對果蠅帶來何種助益！

撰稿：黃宣霈 H.P. Huang

原始論文：

Meier, M., & Borst, A. (2019). Extreme Compartmentalization in a Drosophila Amacrine Cell. Current Biology. https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.03.070

參考文獻：

1. Grimes, W. N., Zhang, J., Graydon, C. W., Kachar, B., & Diamond, J. S. (2010). Retinal Parallel Processors: More than 100 Independent Microcircuits Operate within a Single Interneuron. Neuron, 65(6), 873–885. https://doi.org/10.1016/J.NEURON.2010.02.028

2. Shinomiya, K., Huang, G., Lu, Z., Parag, T., Xu, C. S., Aniceto, R., …Meinertzhagen, I. A. (2019). Comparisons between the ON- and OFF-edge motion pathways in the Drosophila brain. ELife, 8. https://doi.org/10.7554/elife.40025

3. https://www.mpg.de/13377510/0424-psy-056402-multitasking-in-perfection-nerve-cell-works-like-1400-individual-cells