跨國際合作研究 破解大腦更進一步

發稿日期：104年4月24日

瞭解資訊如何在大腦內流動，是破解大腦運作秘密的第一步。國立清華大學腦科學中心與東海大學應用物理系，以及美國印第安那大學與美國聖地牙哥Kavli腦與心智研究院所組成的跨領域國際研究團隊，以果蠅為模式生物，採用「連結體」(connectome) 這個新的腦科學研究典範，對果蠅大腦進行了整體性的研究，對腦內資訊流動這個課題提出了初步的解答，發表於頂尖期刊「當代生物學」 (Current Biology)。

「連結體」的概念，最早由印第安那大學的Olaf Sporns所提出，主張研究大腦應該效法上個世紀末的「基因體計畫」，先測繪出整個大腦各區域的整體連結圖譜後，再進行各別功能迴路的細部研究，才有可能完整理解大腦的結構與功能。2011年，由中央研究院院士、國立清華大學講座教授江安世領軍的清華大學腦科學中心，與國家實驗研究院所屬的國家高速網路與計算中心合作，發表了果蠅大腦神經元影像資料庫Fly Circuit（http://flycircuit.tw），為全世界第一個細胞尺度的大腦連結體，「紐約時報」曾大幅報導此一重大成就，視為連結體時代的第一個里程碑。隨後在2013年，美國總統歐巴馬宣布開始推動「BRAIN Initiative」的全國性計畫，歐盟也啟動了「Human Brain Project」。

在這一波以「連結體」為核心概念的腦科學研究浪潮中，台灣已經搶得先機，並且扮演關鍵性的角色。專長為理論物理與計算生物學之東海大學應用物理系教授施奇廷的加入，讓果蠅連結體研究進入了系統化、定量化的層次。施奇廷教授引入數理科學以及數據分析的跨領域研究方法，仔細梳理了實驗團隊所累積的龐雜影像資料，建構了簡潔的果蠅標準大腦網路模型。

施奇廷教授接著與催生「連結體」概念的Olaf Sporns教授合作，以複雜網路（Complex Network）理論分析大腦網路，發現果蠅大腦網路可分為五個功能群組，分別掌管各種感官信號的輸入與整合；此外，果蠅大腦具有「小世界網路」的特性，以保持大腦內部訊號的高效率傳輸。研究團隊提出了外界訊號進入果蠅大腦後的資訊流動模型，解析嗅覺、聽覺、視覺等刺激訊號從感官輸入到運動輸出之資訊流通路徑，跨出了理解「大腦如何運作」這個重大課題的一大步。

以台灣有限的研究資源與人力，要維持在大腦連結體領域的領先地位並不容易。這項成果除了重大學術發現的價值之外，更展現了跨領域合作的潛力與重要性，透過理論與實驗的合作、數理科學與生命科學領域的整合，將有限的研究資源相加後發揮了相乘的效果。此一效應將持續發酵，預期這個跨領域團隊將持續提出更重要的研究成果。