學習與記憶 - 心得報告

遠場奈米光學顯微鏡觀察與記錄神經細胞突觸液泡的移動 ... 相信在不久的將來，光學技術將有可能達到相當於電子顯微鏡的解析度，且讓我們拭目以待。

學習與記憶 遠場奈米光學顯微鏡觀察與記錄神經細胞突觸液泡的移動 ㄧ、學習與記憶讀書會第四週活動紀錄 二、日期：98年8月12日晚上七點至九點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：林志勇 六、紀錄者：黃政文 七、討論主題：遠場奈米光學顯微鏡觀察與記錄神經細胞突觸液泡的移動 八、參加人員：林志勇、白宗斌、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：自1872年Abbe提出繞射極限的概念以來，科學家們一直試圖突破這個障礙，讓我們能看到更微觀的世界。

經過了一百多年的努力，終於在1980年代隨著控制技術的進步而有近場光學顯微技術的發展，對奈米尺度的光學特性研究有了重大的突破。

但受限於以光纖尖端掃瞄成像的方式，只能觀察樣本表面。

而後在90年代中，Hell教授提出STED的概念之後，到目前已經成功在遠場觀測下驗證了小於繞射極限一個數量級以上的解析度，同時依據螢光分子的特性，設計出許多原理類似，手法不同的遠場奈米顯微技術。

相信在不久的將來，光學技術將有可能達到相當於電子顯微鏡的解析度，且讓我們拭目以待。

十、問題討論： 問題1：何為擴散函數(PSF,pointspreadfunction)能否再詳述(定遠)? 可能解釋：以三維空間來說，點光源經聚焦後的空間分佈我們稱為點擴散函數(PSF,pointspreadfunction)。

PSF越小，代表系統解析度越好。

  問題2：何為擴散函數(PSF,pointspreadfunction)能否再詳述(俊朝)? 可能解釋：所謂的近場光學是在探討空間尺度小於波長時的光學現象，例如波長500nm的可見光穿過直徑50nm的小洞，或是點光源和樣本間距遠小於波長時的交互作用。

事實上，早在二十世紀初期，Hertz進行電磁波實驗時就發現在電磁偶極遠處的電磁波強度和距離成一次反比；但若距離波源非常近，電磁場強度和距離會變成三次反比。

光也是一種電磁波，故在近場時，除了光場強度大幅增強外，光場的分佈模式也和遠場大為不同(張博士)。

  問題3：GSD和STED相比，主要的差別何在?嘗試提出推測此差異(張博士) 可能解釋：GSD和STED相比，主要的差別在於所需要的激發強度差異。

不論是GSD或是STED，其解析度都是取決於過飽和的程度。

但由於三重態的壽命一般比激發態的壽命長許多，因此GSD的飽和強度比起STED來要小很多。

(政文)   十一、參考文獻： NeuserK,TriphanT,MronzM,PoeckB,StraussR.AnalysisofaspatialorientationmemoryinDrosophila.Nature.2008Jun26;453(7199):1244-7.Epub2008May28. StraussR,PichlerJ.PersistenceoforientationtowardatemporarilyinvisiblelandmarkinDrosophilamelanogaster.JCompPhysiolA.1998Apr;182(4):411-23.     林志勇/2009-09-26 攝影記錄果蠅的睡眠行為 ㄧ、學習與記憶讀書會第五週活動紀錄 二、日期：98年8月19日晚上七點至九點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：林萱文 六、紀錄者：陳俊朝 七、討論主題：攝影記錄果蠅的睡眠行為 八、參加人員：林志勇、白宗斌、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：首先探討果蠅的睡眠行為,紀錄以及分析方法.這篇paper是用攝影的方法來記錄果蠅的睡眠行為,利用影像分析,算出果蠅移動之後,像素的差值,進而換算果蠅的睡眠.有別於過去的記錄方式,這個方法更加準確 十、問題討論： 問題1：睡眠的機制是什麼？我們為什麼需要睡眠(志勇)? 可能解釋：人體在清醒的時候,代謝速度比睡覺的時候還要快,所以也會產生比較多的代謝廢物,但是,清醒時移除廢物的速度,可能遠小於廢物產生的速度,所以可能需要睡眠的機制,來移除體內大量累積的代謝廢物。

並且讓身體達到平衡，儲備能量（俊朝）。

問題2：每一次的攝影記錄的間隔最短也要５秒鐘，這樣子是否可能造成誤差，例如果蠅可能在走動，但是沒有被記錄到(政文)? 可能解釋：根據動機所的同學解釋，５秒鐘可能是機器的上限，不過詳細的說明，需要更進一步的詢問動機所的同學（萱文）。

 問題3：這套系統是否有辦法大量的紀錄果蠅的睡眠行為（介凱）？  可能解釋：不行。

因為每一次只能紀錄幾隻果蠅，但是由於攝影機的鏡頭價格昂貴，沒有辦法一次架設多台攝影機紀錄果蠅的睡眠行為，所以目前無法大規模的紀錄（定遠，振瑋）。

十ㄧ、心得： 　　這篇ｐａｐｅｒ有別於過去的記錄方式，更加精確的紀錄果蠅的睡眠行為。

雖然如此，但是礙於實驗儀器的價格，沒有辦法大規模的紀錄。

所以希望之後透過和動機所的合作，可以發展出一套測定果蠅睡眠的裝置，不但可以很精確的紀錄，並且可以進行大規模的實驗。

  十二、參考文獻： Shaw,P.J.,Cirelli,C.,Greenspan,R.J.,andTononi,G.(2000). CorrelatesofsleepandwakinginDrosophilamelanogaster.Science 287,1834–1837. Cirelli,C.,Bushey,D.,Hill,S.,Huber,R.,Kreber,R.,Ganetzky,B., andTononi,G.(2005).ReducedsleepinDrosophilaShaker mutants.Nature434,1087–1092.   林志勇/2009-09-26 篩選梳理行為異常的突變果蠅及研究其與研究神經網絡間之關係 ㄧ、學習與記憶讀書會第九週活動紀錄 二、日期：98年9月16日晚上五點至七點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：陳俊朝 六、紀錄者：吳介凱 七、討論主題：篩選梳理行為異常的突變果蠅及研究其與研究神經網絡間之關係 八、參加人員：林志勇、白宗斌、黃政文、林萱文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：研究者發展出一套測定果蠅梳理行為學的方式，此方式可將梳理行為外表型加以量化，方便我們統計，而研究者利用不同製造果蠅突變的方法例如用放射線將基因破壞，製造了很多突變的果蠅，在由這些突變的果蠅中去篩選梳理行為發生異常的果蠅，是一種，過程中研究者遇到了很多技術上的困難，經過改良篩選過程與一連串反覆的驗證下，最終研究者找到了６株突變的果蠅，進而研究這六株梳理行為異常的果蠅，想知道他們的神經網絡是否也的確異常。

十、問題討論： 問題1：正向遺傳學(forwardgenetics)及反向遺傳學(reversegenetics)兩種有什麼不一樣(定遠)? 可能解釋： 正向遺傳學是利用已經設計好針對某種行為學的測量，然後去用大量未知Gene突變的果蠅，來做測試，而反向行為學是利用已知的Gene突變的果蠅，去針對不同的行為，研究此基因可能與什麼行為有關，正向遺傳學是普遍大家比較常使用的方法因為快速簡單，但未來是希望能有不同的行為測量機，多機一體，一次就可完成大量行為學的測定。

問題2：果蠅有可能分離出比較可以忍受骯髒的果蠅嗎(宗彬)? 可能解釋： 作者在此使用的方法是只觀察結果的方式，如果要在特別去找出果蠅可以忍受多少的灰塵，應該也是可以辦的到，但就是使用的灰塵材料可以量化，應該就可以知道灑上多少百分比的灰塵是果蠅可以忍受的。

問題3：如果果蠅猶豫的話會有梳理的行為嗎(政文)？ 可能解釋： 目前是沒有任何參考文獻有提到果蠅這二種行為之間的關係，但是在人類的確猶豫的話會有搓手的行為出現，這是直得深入探討低。

問題4有任何方法可以更精確的了解果蠅的梳理行為嗎？因為作者篩選出來的果蠅好像都是運動神經可能正常可以做出梳理的動作，但是就是不能完成清潔(志勇)? 可能解釋： 用攝影的方式來分析果蠅的動作與行為也許是一個更好的方式來研究這樣的行為，由於作者用的方式已經跳過觀察過程，直接觀察結果，所以很多細節與資訊都會流失掉，如果有一套機器可以直接分析果蠅的所有行為過程，相信應該會有很大的幫助 問題5由於此行為學的方法找到的都是梳理行為異常(不梳理的果蠅)有辦法可以找到梳理行為變更多的果蠅嗎?會不會與強迫症有關(振瑋) 可能解釋： 在老鼠上已經有單一基因的突變，會導致老鼠出現強迫症，果蠅也許是另一個簡單好研究神經系統的生物可以讓我們來解析強迫症可能的機制，如果有一個好的方法可以來研究梳理的行為的話。

(張博士) 十ㄧ、心得： 我覺得本篇作者對於行為學的研究與精神非常直得我們學習，雖然在當時沒有一個很直接的結果，但是針對我們在測量動物行為學的過程會遇到的困難，提供了很多的參考。

十二、參考文獻： Genetics.1993Mar;133(3):581-92.     林志勇/2009-09-26 果蠅的位置記憶需要血清素的參與 ㄧ、學習與記憶讀書會第十週活動紀錄 二、日期：98年9月22日晚上五點至七點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：黃政文 六、紀錄者：王定遠 七、討論主題：果蠅的位置記憶需要血清素的參與 八、參加人員：林志勇、白宗斌、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：許多研究證實血清素和多巴胺等生物胺和增強學習的連結有關，透過操作這些生物胺可以改變記憶的表現。

在昆蟲中，ㄧ般認為多巴胺是一種負向增強記憶的生物胺，然而血清素在這方面角色定位並不明顯，而且在果蠅中是具有爭議性的，為了釐清這問題，作者利用位置記憶的行為來研究血清素和多巴胺的角色。

實驗證實位置記憶是需要血清素的參予而不需要多巴胺，同時也證實血清素在此行為也是扮演著一種負向增強記憶的角色。

十、問題討論： 問題1：位置記憶為什麼要用熱來處罰果蠅，如果用電極是否一樣可達到效果(志勇)? 可能解釋：用熱的好處是熱有梯度而電極沒有梯度，如果用熱來處罰果蠅的話果蠅可以學習朝向梯度較低的地方逃跑，等到測驗時候沒有熱的處罰他還是不會待在訓練時會有熱源的地方，但是用電極的方式因為沒有梯度，果蠅很難去學習和記憶會被電極的位置(宗彬)。

問題2：如何定義操作式學習的增強和處罰(俊朝)? 可能解釋：增強式的學習是讓受試者會感到快樂、舒服的感受，相反地處罰式的學習會讓受測者感到討厭、不舒服等感受，然而增強和處罰都有分正向和負向，多巴胺在先前的研究中就是屬於負向的增強(政文)。

問題3：白眼基因突變和腦中血清素含量的關係是什麼(振瑋)？ 可能解釋：白眼基因是運輸色胺基酸，而色胺基酸就是合成血清素的原料，因此在白眼基因突變的生物體中，血清素會比正常生物體來的低，所以在做實驗選擇實驗的控制組果蠅時，必須要考慮白眼的基因是否會影響實驗結果的判斷(政文)。

十一、參考文獻： 1. JNeurogenet.2009Jan-Mar;23(1):104-10.Epub2008Dec18. 2. ProcNatlAcadSciUSA.2008Apr8;105(14):5579-84.Epub2008Apr2. 3. AnnuRevNeurosci.2008;31:69-89   林志勇/2009-09-26 小世界複雜網路理論 ㄧ、學習與記憶讀書會第七週活動紀錄 二、日期：98年9月3日晚上五點至七點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：張曼玲 六、紀錄者：王筑萱 七、討論主題：小世界複雜網路理論 八、參加人員：林志勇、白宗斌、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋、張曼玲、王筑萱 九、內容簡介：小世界是近期發展出的一個新個觀念，他是一個高群聚度低分個度的網絡，它通常是一個有序的圖中摻雜著一點隨機，所謂的高群聚度就像是功能相同的神經彼此間大多互相有連結，就會變得有點像神經叢，而低分隔度就像是從這一個神經叢到另一個神經叢，所需經過的連結數不高，就有點像我們的反射動作，如果被燙到手就會馬上縮回來，如此的快速就是低分隔度的效果。

而在Internet中也存在著scale-free如同小世界的秩序，小世界的特性也使得網路在隨機攻擊下有高的復元度，也有許多科學家實驗證實許多生物的神經系統也都具有小世界的架構。

十、問題討論： 問題1：生物的神經系統為什麼大多是小世界架構? 可能解釋：因為神經與神經間做連結都需要能量的耗損，若每個神經都必須和其他神經做連結，相對的需要消耗掉許多的能量在連結上，如此比較起來，小世界可以說是較經濟的方法(張博士)。

問題2：那為什麼後來新生長的神經細胞不都連結到最先生長的神經細胞上，如此一來大家的分隔度都只有二，不是很快速嗎? 可能解釋：這樣分隔度的確很低，不過如此一來在最先生長的那顆神經原上就必須消耗非常高的能量(張博士)。

問題3：小世界結構此一理論中之貴族式系統為少數節點具有高連結，那麼一旦這些具有高鏈結之節點（例如人類之大腦）遭受破壞，所造成的傷害不是很大嗎？ 可能解釋：（ａ）就一般攻擊而言，每個節點被攻擊之機率是相同的。

而這些具有高度連結的節點卻只佔了總節點數極少之部分，所以這種形式的鏈結反而是比較安全的。

　　　　（ｂ）就特殊攻擊而言，既然知道這些節點為核心，那一定會特別的去保護這些特殊節點，例如堅硬腦殼保護大腦。

十一、參考文獻： 1. NEXUS連結   ByMarkBuchanan 天下遠見出版有限公司出版 2. REVIEWSOFMODERNPHYSICS,VOLUME74,JANUARY2002  Statisticalmechanicsofcomplexnetworks,RékaAlbert*andAlbert-LászlóBarabási,DepartmentofPhysics,UniversityofNotreDame,NotreDame,Indiana46556(Published30January2002)   林志勇/2009-09-14 生物影像資訊：一種新的生物工程領域 ㄧ、學習與記憶讀書會第八週活動紀錄 二、日期：98年9月9日晚上五點至七點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：王定遠 六、紀錄者：朱振瑋 七、討論主題：生物影像資訊:一種新的生物工程領域 八、參加人員：林志勇、白宗彬、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：隨著顯微鏡的解析度逐漸提高，在整個生物科學領域上累積了愈來愈多的高解析度生物影像，在網際網路上也紛紛出現了一些公開儲存這些生物影像的資料庫，像是Openmicroscopyenviroment和UCSCBisquesystem，然而在這些高解析度的生物影像之後所隱含的一些資訊並沒有被充分的被開發出來，以神經生物學來說，大量的神經影像首先須經過特徵值的辨認，對於影像中的目標做切片，不同樣本之間的註冊對位，每一筆處理後資料的註解，從這些註解後的資料中做資料探勘，將所有資料整合進資料庫並提供一個方便的查詢系統，最後則是視覺化的呈現。

由這一連串的步驟之中可以發現，生物影像的分析是一個全新的工程領域，需要加入許多的工程背景知識來統合分析，才能發會這些影像的價值。

十、問題討論： 問題1：在資料探勘中，有一種工程上的方法叫做主成份分析，這樣的分析方法和一般常用的分群有什麼不一樣(介凱)? 可能解釋：在生物資訊中，有許許多多的資料探勘方試，主成份分析和分群方法都是常見的特徵辨認的步驟。

而主成份分析主要是利用一連串的統計方法來找出資料中的特徵向量，特徵向量可以充分的表達原始的資料，雖然有效，但是特徵向量本身不具備生物意義。

另一方面，分群是利用資料原始的特徵下去做統計分析，因此找出來的關鍵特徵除了可以代表原始資料以外，還具備生物意義(定遠)。

  問題2：在神經影像中的註冊對位，剛性變型和非剛性變型有什麼不同(志勇)? 可能解釋：非剛性變型是未來神經影像未來註冊對位的趨勢，畢竟剛性變型只能做到對位，剛性變型正如它的名稱，只允許影像中的座標軸做平移，旋轉，夾角的改變，無法完全扭曲影像。

但是在非剛性變型中，影像中的每個點都會得到一個移動向量，可以扭曲整個原始影像。

不過目前最大的問題是在高解析度的生物影像上，非剛性變形產生出的資料量是剛性變型的十二倍以上，需要高速的計算資源才有辦法做到。

  十一、參考文獻： 1.     PengH.Bioinformatics. 2008Sep1;24(17):1827-36.Epub2008Jul4. 2.     PengH,LongF,MyersEW.VANO:avolume-objectimageannotationsystem.   林志勇/2009-09-14 環境刺激對果蠅視覺系統發育的影響 ㄧ、學習與記憶讀書會第六週活動紀錄 二、日期：98年8月27日晚上七點至九點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：白宗彬 六、紀錄者：王定遠 七、討論主題：環境刺激對果蠅視覺系統發育的影響 八、參加人員：林志勇、白宗彬、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：動物在發育的過程，會隨著環境的刺激而有不同的發育反應。

以視覺系統為例，發育的過程接收到正常的視覺刺激可以幫助視覺系統的發育。

但是如果阻斷視覺刺激，例如在無光的環境下成長，則生物體的視覺系統會有很明顯的發育遲緩甚至萎縮退化。

環境的刺激對於發育的過程顯得更為重要。

在無光環境成長的果蠅即使長大之後回到正常的環境中，還是很難讓發育遲緩或是萎縮的視覺系統重新長成正常的模樣。

十、問題討論： 問題1：不同波長的光線對於果蠅視覺的成長是否有不同的效果？(定遠) 可能解釋：目前的實驗結果顯示，果蠅看不到紅色光線。

所以紅光對果蠅來說等於無光。

另外果蠅複眼內有一特化的視覺細胞，專門接收紫外光。

因此紫外光對這顆細胞的刺激特別明顯。

其他顏色的光就沒有特殊效果了。

問題2：實驗裝置的設計是否有什麼缺失？(政文) 可能解釋：實驗裝置有一個很大的缺失，實驗過程並沒有確定正確的測量不同光線的亮度是否相同。

果蠅對於不同亮度的光線有不同的趨性，這樣的缺失可能造成果蠅此項趨性在無意之間影響的實驗結果。

問題3：論文裡有提到果蠅蕈狀體也會牽涉光趨性，是否有可能針對蕈狀體進行更進一步的實驗？(俊朝) 可能解釋：根據以前的文獻，蕈狀體參與果蠅不只一種視覺相關的行為。

蕈狀體同時參與嗅覺聽覺觸覺等各種感官運作。

因此只要有適當的果蠅突變株，我們將可以更進一步探討果蠅蕈狀體所扮演的角色。

十一、參考文獻： 1. 09,L&M,Heisenberget.al. 2. 86,Science,Mimuraet.al. 3. 94,J.exp.Biol,Hirschet.al.   林志勇/2009-09-03 TimeSTAMP:由諾貝爾獎得主錢永健開發藉由藥物調控偵測蛋白新合成的技術 一、學習與記憶讀書會第三週活動紀錄 二、日期：98年8月5日晚上七點至九點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：吳介凱 六、紀錄者：白宗彬 七、討論主題：TimeSTAMP:由諾貝爾獎得主錢永健開發藉由藥物調控偵測蛋白新合成的技術 八、參加人員：林志勇、白宗斌、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：蛋白質合成對維持細胞特化的生理現象非常重要，例如：維持神經細胞的軸突。

而在生物體內，神經細胞樹突內的蛋白質合成與神經間新連結的形成被認為是形成記憶的條件之一。

錢永健發明了TimeSTAMP此技術，特性是能夠藉由施予藥物作為偵測特定新合成蛋白質的起始點，TimeSTAMP帶有的標籤則可被抗體專一的辨認與放大。

在本篇文章中作者在細胞培養與果蠅中都證明了TimeSTAMP可以專一，與顧及時間性及空間性上偵測在神經樹突中的蛋白質新生成。

十、問題討論： 問題1：TimeSTAMP此新一測定蛋白質合成的方法，與我們實驗室正在開發的photoconversionfluororescenseprotein請比較其優缺點(俊朝)? 可能解釋：TimeSTAMP可以針對特定的蛋白質來偵測其合成，如:CaMKII，並能力用各種不同的標籤與抗體來搭配偵測蛋白新生。

但其缺點是必須透過投藥來使蛋白質的合成重新被標的，每隻生物個體攝取藥的時間及量都不同，這點很難精準的被定量化。

而我們實驗室開發的變色蛋白，可以利用一個極窄時間點當作蛋白質新合成的標的點，可以確定所有被UV光轉換的螢光蛋白都在同個時間被轉換，但UV光卻因為其具備高能量潛在有可能會傷害神經細胞組織。

(介凱)。

問題2：為什麼要發展此技術？將新合成的蛋白質能在顯微鏡底下直接觀察到有什麼特殊的優點嗎？(宗彬)? 可能解釋：在神經科學領域，目前普遍能接受：在記憶形成時，神經細胞會彼此形成新的突觸，加強訊號的傳遞，而在神經元之間形成新的突觸，其中一個指標就是：蛋白質的新合成。

如果我們能在顯微鏡底下，直接觀察到蛋白質的新合成，可以確定神經形成新突觸的位置，甚至可以說是能直接得到記憶所形成的路徑，這比起傳統的生化技術，如西方墨點法，更能精準的標定出記憶形成的位置，這對腦科學及記憶研究的領域尤其重要，所以錢永健也積極的投入此方面的研究。

（介凱） 問題3：作者在最後一個圖組當中發現，果蠅腦中的蕈狀體比較其他位置，有較大量的CaMKII合成，你有什麼看法？(志勇) 可能解釋：CaMKII已經被報導過與記憶的形成相關，CaMKII的mRNA會被運送到神經細胞的突觸當中，等與形成記憶有關的刺激進入時，才會被轉錄出蛋白質，而蕈狀體是果蠅腦中被認為是highbraincenter的一個單位，也很多對學習與記憶相關的研究指出，果蠅的學習可能會透過蕈狀體形成記憶，所以蕈狀體有CaMKII的大量新生成不令人意外，作者在這裡卻沒有將形成記憶與CaMKII的新合成串連在一起，並無法直接證明CaMKII在蕈狀體的新生成與記憶有關。

(政文)。

十一、心得： 錢永健研發此新的技術：TimeSTAMP作為研究腦中心蛋白質新合成的手段，他結合了結構生物學的背景，將人類ｃ型肝炎蛋白酶結合蛋白質標籤與螢光蛋白，並搭配抗體可辨識蛋白標籤的優點，能重複且利用不同螢光波長的呈色劑標定新生成的特定蛋白，而新蛋白質合成的標地時間點，可以透過只會專一抑制人類ｃ型肝炎蛋白酶的蛋白酶抑制劑來調控，作者也證明此方法並不影響神經生理，與欲標定蛋白的命運與半衰期，由此可見得錢永健完整與縝密的構思此設計，並進一步的利用各種方法證明此新技術的前瞻性。

十二、參考文獻： ProcNatlAcadSciUSA.2008,105(22):7744-9.     林志勇/2009-08-11 果蠅如何感受磁場 一、學習與記憶讀書會第一週活動紀錄 二、日期：98年7月16日晚上七點至九點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：朱振瑋 六、紀錄者：陳俊朝 七、討論主題：果蠅如何感受磁場 八、參加人員：林志勇、白宗斌、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：                           在自然界中，有許多種類的生物會利用地球的磁場來進行遷徙、產卵、定位等等的行為表現，例如：海龜的產卵位置、植物的生長調節等。

而科學家們進一步發現一種可以受到藍光刺激的一種色素蛋白質，Cryptochrome，這種蛋白質一旦經藍光激發就會被活化，因而對磁場產生反應。

而此篇研究報告是以果蠅做為主角，作者也在視網脈發現這種蛋白質，功能也是對於藍光的波長有反應，而他們也發現這種蛋白質如被突變的話就會使果蠅對磁場的反應消失；同時他們也發現Cryptochrome對於磁場的反應與果蠅的生理時種無直接相關。

這樣的研究也開啟了磁場對於生物行為影響的大門。

  十、問題討論： 1.         為什麼選擇Cryptochrome作為研究磁場感應的對象?(朱振瑋) 可能解釋： 之前的研究發現太陽光中的藍光對候鳥的遷徙方向有影響，因而可以正常的辨識方位，一旦改變波長，則會造成他們失去方向感。

因此科學家們就開始尋找相關的物質與可能存在的位置，結果發現可能是存於眼睛的Cryptochrome這種蛋白質會對地球磁場產生反應。

這種蛋白質也在許多物種中被發現，例如：植物的阿拉伯芥、候鳥，與一些兩棲動物。

因此這會是一種調控磁場感應的其中一種蛋白質。

(陳俊朝) 2.         解釋Cryptochrome在生理時鐘與磁場感應之間的關係。

(林志勇) 可能解釋： 從報告中顯示，他們以持續光照來抑制果蠅的生理時鐘，但結果卻顯示對於磁場的反應沒有顯著的差異，因此推斷磁場感應與生理時鐘無直接關係。

但仍有些許疑問，因為Cryptochrome存在於頭部也許並非只有一個區域，也許有其他區域的神經元或細胞也會參與這樣的調控，因此需要更進一步的以抗體來標定他們的位置，並做實驗來驗證這樣的現象。

(陳俊朝) 3.         若要改善實驗，未來可以多加強甚麼裝置或解決甚麼問題?(朱振瑋) 可能解釋： 因為此篇研究報告並未進行磁場方向的探討，因此我認為可以改進磁場輸出裝置，使之成為可變式磁場，探討果蠅在飛行時，是否會因為磁場方向改變而造成其行進方向的改變。

此外，我覺得生物對於磁場感應的機制應該還有其他的路徑，未來可以多多找尋可能的分子機制，這也是未來對於這塊領域的發展方向。

而且是否只有光會造成這樣的反應也是令人感興趣的。

(朱振瑋) 十一、心得： 這樣的讀書會可以使我增加對於研究報告邏輯的串連，而且可以從中學習到許多我所不了解的實驗細節與實驗設計的原因，希望藉由這樣的讀書會發會自己獨立思考的能力。

十二、參考文獻： 1.        Cryptochromes:BlueLightReceptorsforPlantsandAnimals.AnthonyR.Cashmore,etal.Science284,760(1999) 2.         Cryptochromemediateslight-dependentmagnetosensitivityinDrosophila.RobertJ.Gegear,AmyCasselman,ScottWaddell&StevenM.Reppert,Nature,2008 3.         Magneticorientationandmagnetoreceptioninbirdsandotheranimals.WolfgangWiltschkoARoswithaWiltschko,JCompPhysiolA(2005). 4.         MagneticintensityaVectscryptochrome-dependentresponsesinArabidopsisthaliana.MargaretAhmad,PaulGalland,ThorstenRitz,RoswithaWiltschko,andWolfgangWiltschko,Planta(2007). 5.    Cryptochromes:EnablingPlantsandAnimalstoDetermineCircadianTime.AnthonyR.Cashmore, 林志勇/2009-07-28 果蠅的空間方位記憶 ㄧ、學習與記憶讀書會第二週活動紀錄 二、日期：98年7月22日晚上七點至九點 三、地點：清華大學腦科學中心 四、導讀人：張修明博士 五、主持人：黃政文 六、紀錄者：王定遠 七、討論主題：果蠅的空間方位記憶 八、參加人員：林志勇、白宗斌、陳俊朝、林萱文、黃政文、王定遠、吳介凱、朱振瑋 九、內容簡介：假設我們到一個陌生的城市去赴朋友約的時候，離約定的時間還早，所以就在這城市逛逛，或是喝個咖啡。

此時和朋友約的目的地已經不在眼前，但腦中已經記住這個目的地的方位了。

然而，在果蠅的腦中也可以辦到這件事情！當果蠅記住它要到達的目的地後，即使被其他物體吸引離開了前往目的地的路徑，也可以在吸引物不見之後，還能記住先前它想要前往的目的地。

此篇研究巨觀地從神經叢到微觀地從訊號傳遞路徑來剖析此行為，最後證實S6KII此蛋白質能影響此行為。

十、問題討論： 問題1：針對機器人的設計，從生物的神經網路去著手設計有什麼好處，和現今的網路設計有什麼不同點(志勇)? 可能解釋：                  從生物觀點來看神經網路也許是生物利用能量最有效率的方式，可能比利用程式演算法得出來的網路來的有效率，反應更快速，整合性更多元(介凱)。

問題2：比較果蠅和蝗蟲蜜蜂的中心複合體，發現果蠅的橢圓體是環狀，但蝗蟲和蜜蜂卻都是條狀，然而中心複合體是調控昆蟲行為的地方，是否這樣結構的不同能造成天性的差異，例如果蠅喜歡小範圍搜索，而蝗蟲能大規模遷徙、蜜蜂能有極佳的方向感(俊朝)? 可能解釋：                這是系統生物學的範疇，目前能夠解釋的資料不多，可能和整個神經網路的演化有關，不單只是中心複合體的差異所造成的(張博士)。

問題3：果蠅空間記憶目前研究資料不多，此篇提出影響此行為的分子機制，但未提出整個神經網路如何來影響此行為，嘗試提出假設推測此機制(張博士)？ 可能解釋：               果蠅必定需要某個看不見的指標，才能在沒有任何提示下仍然能夠記住先前的目標而往目標前進，推測可能是果蠅利用固定方向的磁場當作參考線，先記住此線和目標物夾角，等到目標物不見後還是能依照先前所記憶的角度而朝向目標物前進(政文)。

十一、參考文獻： 1. NeuserK,TriphanT,MronzM,PoeckB,StraussR.Analysisofaspatial  orientationmemoryinDrosophila.Nature.2008Jun26;453(7199):1244-7.Epub2008May28. 2. StraussR,PichlerJ.PersistenceoforientationtowardatemporarilyinvisiblelandmarkinDrosophilamelanogaster.JCompPhysiolA.1998Apr;182(4):411-23.   林志勇/2009-07-28 遠場奈米光學顯微鏡觀察與記錄神經細胞突觸液泡的移動2009-09-26 攝影記錄果蠅的睡眠行為2009-09-26 篩選梳理行為異常的突變果蠅及研究其與研究神經網絡間之關係2009-09-26 果蠅的位置記憶需要血清素的參與2009-09-26 小世界複雜網路理論2009-09-14 生物影像資訊：一種新的生物工程領域2009-09-14 環境刺激對果蠅視覺系統發育的影響2009-09-03 TimeSTAMP:由諾貝爾獎得主錢永健開發藉由藥物調控偵測蛋白新合成的技術2009-08-11 果蠅如何感受磁場2009-07-28 果蠅的空間方位記憶2009-07-28 Copyright©2007-2009NationalTsingHuaUniversityALLRIGHTSRESERVED 最佳解析度為1024*768或1280*1024 聯絡我們101,Section2,Kuang-FuRoad,Hsinchu,Taiwan30013,R.O.C.30013新竹市光復路二段101號代表號：03-5716200統一編號：46804804