學位論文
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Item 應用斑馬魚作為研究端腦突觸可塑性及智能障礙疾病的模式(2012) 吳民聰; Ming-Chong Ng硬骨魚類的端腦在學習與記憶的形成過程中扮演著重要的角色，其中又以端腦背側的外側區(Dl)與中側區(Dm)最為關鍵。利用螢光追蹤方法可發現，將螢光染劑置入D1區後，螢光物質會由Dl往Dm傳遞，這現象意味著兩者之間的神經纖維有緊密相連的關係，但目前探討Dl－Dm間突觸傳遞現象的研究還非常稀少。斑馬魚是一種廣泛應用於探討藥物成癮、焦慮以及學習和記憶等研究的模式動物。本論文的研究目的之一即以電生理技術，探討在斑馬魚端腦中Dl－Dm投射路徑的神經傳遞與突觸可塑(synaptic plasticity)現象。從結果可觀察到，在Dl給予一次電刺激能引發Dm產生一個負電位之電場電位(field potential, FP)，且該FP能被AMPA/kainate受器拮抗劑CNQX、0.5 mM Ca 2+、8.0 mM Mg 2+ 及TTX (0.5 μM)所阻斷；相反的，在無Mg 2+的人工腦脊髓液以及bicuculline中FP則能被提升並引發神經的猝發(bursting)現象。以上結果意味著興奮性與抑制性的神經傳遞作用皆可能具調節神經突觸的功能。為了探究這假說，本論文進一步探討了突觸可塑現象中的長期增益效應(LTP)與長期抑制效應(LTD) 。由結果發現，連續三次高頻刺激(每秒100Hz)或投予腺苷酸環化酶啟動劑Forskolin (50 μM) 15分鐘後皆可引發LTP現象，前者為NMDA受器依賴性LTP，而後者需要extracellular related-signal kinase (ERK)的參與。此外，投予代謝型谷氨酸受體興奮劑DHPG (25 μM) 10分鐘後，則會引發持續至少１小時的LTD現象 。由此可知，斑馬魚端腦Dl與Dm間的突觸連結為端腦突觸可塑性的關鍵角色，也在探討斑馬魚學習與記憶之神經機轉上提供了一個新的電生理模式。另外，斑馬魚在發生遺傳學等相關人類疾病的研究中也已成為不可或缺的動物模式。X染色體脆折症(Fragile X syndrome, FXS)是發生率較高的人類遺傳性智能遲滯疾病，伴隨著外型異常、認知功能以及行為障礙等症狀。FXS是由於FMR1基因發生突變造成其蛋白FMRP缺失所致，建立FXS的動物模式將有助於我們進一步瞭解致病的細胞與分子機制。因此，本論文的另一研究目的即為利用FMR1基因缺失斑馬魚，探究FMRP在行為及神經突觸可塑性中所扮演的角色。實驗結果顯示，成年斑馬魚因缺乏FMR1基因表達，而產生低焦慮、過動和抑制性逃避性學習障礙現象。而在電生理上，FMRP的缺失對於突觸傳遞功能並無明顯影響，但在突觸可塑性方面，相較於對照組，FMR1剔除斑馬魚端腦LTP的強度會減弱，相反的LTD則增強。綜合此研究的各項重要發現，我們認為FMR1基因剔除斑馬魚在未來應用上，除有助於我們瞭解FXS的致病機轉外，更能協助治療性藥物的開發。Item 斑馬魚空間記憶學習作業之不對稱行為表現－探討動物腦側化對行為的影響(2008) 吳曜如; Yao-Ju Wu隨着基因轉殖斑馬魚製備技術及相關分生檢測技術的不斷進步，斑馬魚用於神經科學的研究日漸增多，近有證據明顯示斑馬魚具有與人類相似的腦側化現象。本研究延續前人的理論基礎，利用改良之斑馬魚T字形迷宮空間記憶學習模式，藉以找出學習過程中，不同學習方向所導致之學習行為差異。並且進一步利用此差異，針對可能與空間記憶有關的端腦部位，進行不可恢復的雙側或單側手術破壞，觀察其於空間記憶學習行為之影響，以探討斑馬魚端腦是否具有類似人類的腦側化現象。 本研究中總共分為三部份實驗，第一部份利用大量未經處理之動物(naïve animal)進行測試，建立固定的標準訓練程序。此程序以訓練動物學習之方向可分為左側學習與右側學習兩種。實驗結果顯示，動物在往右側學習時，會呈現出學習曲線(p(naïve-R)< 0.0078)，但往左側學習時，並沒有如此顯著的情況(p(Naïve-L) = 0.1409)。此外，右側學習組的動物在第一次選擇的表現上，其方向的決定會自高比例選擇左側轉變為高比例選擇右側，然而往左側學習的動物則並表現出接近亂數選擇的情況。 第二部份實驗是對動物進行全端腦的破壞手術，並依照第一部份之標準程序進行訓練。實驗結果顯示經假手術處理的sham組動物，其左側或右側學習結果均和第一部份的結果相似。但雙側端腦遭破壞之lesion組動物，右側學習組的動物並沒有呈現出學習曲線，而左側學習組的動物表現出較快的速度游入目標區，但第一次在交接處進行選擇時，動物並沒有直接選擇向左。第三部份實驗是對動物的單側端腦進行破壞，並和第二部分一樣使用第一部份之標準程序進行訓練，藉此觀察比較動物的學習表現。結果顯示，右側端腦對右側方向的學習，扮演較左側端腦更加關鍵的角色。而左側端腦則可能與動物的情緒處理上較為相關。 近期文獻提出之斑馬魚腦側化現象中，認為右眼系統在斑馬魚決定是否咬取食物與辨識熟悉物體時較為優先；左眼系統的功能則在觀察陌生環境或是辨認新物體。本研究結果顯示，目標區域所在的位置，亦即動物為左側學習組或右側學習組，對於動物的學習表現有其一定的影響。而斑馬魚只有在右側學習時會呈現出較接近傳統學習的模式。我們推測，這樣的差別其原因為斑馬魚的端腦具有功能性腦側化現象，而在右側學習模式，斑馬魚右側的端腦扮演了較為重要的角色。Item 以斑馬魚模式進行腦功能側化相關研究(2017) 吳曜如; Wu, Yao-Ju斑馬魚(Denio rerio)因其胚胎透明、容易飼養及觀察等優點，近年成為神經與發育生物學研究之新興動物模式。斑馬魚的神經系統與大多數硬骨魚類似，其端腦 (telencephalon) 的主要構造、相對體積大小、解剖位置及功能與哺乳類之邊緣系統 (limbic system) 相似，為一個易於操作的端腦功能研究模式。本篇論文即利用斑馬魚的各項研究優勢，進行三個部分的研究，以探討斑馬魚端腦的功能、相關之運作過程與訊息傳遞之機轉。在第一章中，我們延續先前的實驗成果，利用吸引法(aspiration)對端腦進行直接的破壞，以探究端腦在空間記憶形成上所扮演的角色，結果顯示端腦的左、右兩半球，分別對於空間及情緒性記憶 (emotional memory) 有著不同的影響，特別是在獲取 (acquisition) 及重新擷取 (retrieval) 的過程中，而對端腦進行單側破壞(unilateral ablation)，均可干擾情緒性記憶的形成。在第二章中，由於過去文獻發現X染色體脆折症 (fragile X syndrome) 患者在腦側化 (cerebral lateralization) 的表現上受到影響，故藉著fmr1基因剔除品系斑馬魚，探討此斑馬魚身上，是否會呈現類似人類病患之異常情緒性行為，結果證實了fmr1之缺損，會造成斑馬魚情緒性行為之發展異常，也會干擾了抑制性逃避記憶 (inhibitory avoidance memory) 的形成。在第三章中，主要使用了電生理的實驗方式，探究斑馬魚端腦外側 (Dl) 到端腦內側 (Dm) 之訊號傳遞。我們發現不只通往同側的端腦內側 (ipsilateral telencephalic Dm region) 有訊號傳遞，而在對側 (contralateral) 端腦之內側亦有類似的訊號傳遞，並且兩側同時存在着代表神經可塑性的長期增强效應long-term potentiation (LTP) 及長期抑制效應long-term depression (LTD) 現象，兩者的作用機制需要麩胺酸NMDA及代謝性受體 (metabotropic glutamate receptor) 的參與；其神經可塑性之LTP與LTD模式，在左、右側端腦中的表現並非完全相同，這呼應了第一階段的實驗結果，進一步證實了斑馬魚的左右側端腦，在處理學習與記憶的功能時，扮演著不同的角色。最後我們也發現，有別於哺乳類動物，斑馬魚主要藉由前連合 (anterior commissure) 構造進行兩側端腦的訊息傳遞。 總結上述三階段的研究成果，可證明斑馬魚端腦中亦存在著腦側化的現象，而斑馬魚確實能應用於探討腦側化的機轉研究。Item 利用離體電生理模式探討斑馬魚端腦雙側之功能性連結及突觸可塑性(2016) 陳郁嵐; Chen, Yu-Lan腦側化(cerebral lateralization)為一種脊椎動物常見的現象，意指大腦兩側半球各自對不同的功能扮演較優勢的角色(dominant)；腦側化對於生物個體的行為表徵扮演著重要的角色，例如人類的左右腦各負責不同類型的工作；又或是魚類會利用兩眼視覺系統，區別熟悉與陌生的環境。硬骨魚的端腦(telencephalon)被認為與學習和記憶的形成有關，特別是端腦的背外側區(dorsal lateral, Dl)及背中側區(dorsal medial, Dm)最為相關，前人利用螢光染劑DiI注射於Dl腦區後，可在Dm腦區偵測到螢光訊號，證明了Dl和Dm腦區間存在神經投射的連結。近年來，斑馬魚已成為探討學習與記憶、藥物成癮以及焦慮等行為非常重要的模式物種。從斑馬魚的胚胎發育研究以及行為觀察，已有充分的證據顯示斑馬魚腦部和哺乳類一樣，具有腦側化的現象，但關於斑馬魚端腦腦側化的研究卻非常缺乏。因此，本實驗目的為利用電生理技術探討傳遞到同側(ipsilateral)以及對側(contralateral)的Dl-Dm投射路徑的神經傳遞與突觸可塑性(synaptic plasticity)現象的異同。首先，實驗測得在單側的Dl給予電刺激，能夠在同側以及對側的Dm引發一個負電位的電場電位(negative field potential)，還可利用高頻電刺激(high frequency stimulation, HFS) 及低頻電刺激(low frequency stimulation, LFS)，分別誘發出長期增益效應(long-term potentiation, LTP)以及長期抑制效應(long-term depression, LTD) ，這兩項均為探討神經突觸可塑性的重要性指標。實驗中利用連續五次的HFS (每秒100 Hz)來誘發LTP，結果顯示在同側及對側的Dm腦區所誘發的LTP現象，此外，如預先投予NMDA受器的拮抗劑D-AP5 (30 μM)10分鐘後才進行誘發，可完全阻斷對側LTP的產生。但將D-AP5藉由灌流廓清後，則又可重新利用HFS誘發出LTP。由此證實了HFS所誘發的對側LTP，需依賴NMDA受器的活化。將左右兩側誘發的LTP實驗結果，經交叉比對分析後發現，從左側及右側的Dl給予HFS，所誘發出的同側LTP會有所差異，從右側誘發出的LTP強度會比左側誘發的小，而單從右側Dl誘發的LTP而言，其訊號強度同側會較對側的小。本實驗接着以LFS (每秒1 Hz)持續刺激20分鐘，或是投予代謝型谷氨酸受體興奮劑DHPG (40 μM) 10分鐘來誘發LTD，兩者都能誘發出至少維持一小時的LTD現象。而我們將以代謝型谷氨酸受體興奮劑DHPG所誘發的同側及對側結果比較後，我們發現對側的抑制效果較同側好。另外，Dm腦區所誘發的電場電位可以分成突觸的(synaptic, P1)以及非突觸的(non-synaptic, N2)組成，而對側Dm腦區的P1時間較同側Dm腦區的時間長，可能造成的原因為對側端腦的紀錄點較同側端腦紀錄點的距離更遠，因此有對側P1時間較同側長的現象。另外，藉由即時聚合酶鏈鎖反應(Real-time polymerase chain reaction, Real-time PCR)技術，我們發現NMDAR1a受器的mRNA在左側端腦的表現上高於右側端腦的趨勢。綜合而言，本研究的重要發現為首次觀察到斑馬魚端腦的Dl腦區和Dm腦區之間，存在著同側以及對側神經連結的突觸可塑性現象，並運用了電生理模式證明了斑馬魚端腦具有腦側化的現象。本研究成果將有助於日後為利用基因轉殖斑馬魚探討端腦腦側化分子機轉奠定基礎。