學位論文
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Item 利用腦側化反轉斑馬魚探討端腦的功能(2021) 李宗祐; Li, Zong-You腦側化(cerebral lateralization)是指左右邊大腦半球(cerebral hemisphere)各會偏重執行(dominate)某些特定功能，為一種脊椎動物常見的現象。這種功能性的腦側化(functional lateralization)又可追溯至左右腦結構，或是特定分子於左右腦分佈的不對稱性(asymmetric)。許多文獻指出上丘腦(epithalamus)是探討斑馬魚腦部結構的不對稱(structural asymmetry)之重要標的。副松果體位於(parapineal)上丘腦中，正常情況下，該核團約有98%的機率會位於左腦中，僅少部分「腦反轉」個體(brain inversed)其副松果體會位於右腦。本計劃比較一般個體及腦反轉個體間，外顯行為及兩側端腦功能差異，結果將有助於了解斑馬魚腦結構不對稱性對，於腦功能側化的影響。目前已知功能性腦側化會體現於個體的認知(cognition)、情緒(emotion) 和學習與記憶(learning and memory)等面向。本研究利用腦側化反轉斑馬魚，探討整合結構不對稱性對情緒與認知的影響。本研究分別使用野生型(wild-type, WT)及foxd3:GFP品系的基因轉殖(transgenic, TG) 斑馬魚作為實驗對象，該TG品系斑馬魚的副松果體會表現外源性的綠色螢光蛋白(exogenic green fluorescence protein, GFP)，故可藉此判別副松果體位置，以篩選出正常(無反轉)的左側副松果體個體(left-side parapineal, Lpp)及腦反轉的右側副松果體個體(right-side parapineal, Rpp)個體。研究包括了四階段的行為實驗(behavioral experiment)，第一階段是基礎運動能力測試，用以確認各實驗動物的自發性游動(locomotor activity test)是否正常，基礎運動功能正常的個體，方能進入下一階段實驗。第二階段實驗為類焦慮行為(anxiety-like behavior)測試，本研究選用新穎性水箱測試(novel tank test)，交叉比對不同組別實驗動物的類焦慮行為表現。第三階段則為抑制性逃避學習測試(inhibitory avoidance test)，檢核腦反轉對恐懼記憶(fear memory)的建立是否有差異。第四階段則是利用腦反轉的TG斑馬魚，探討隨著腦構造反轉後，其功能性腦側化及偏重執行的外顯行為是否同樣出現反轉的現象。實驗結果顯示，腦反轉個體(Rpp)的運動功能與學習能力未受影響，但類焦慮行為明顯增加。在認知功能方面，對無反轉斑馬魚(Lpp)施以右側端腦破壞，會干擾空間及恐懼學習能力，故推測其與野生型斑馬魚相同，空間及恐懼的學習主要由右側端腦所主導，而腦反轉的斑馬魚(Rpp)則轉變為左側端腦主導。因而可推論斑馬魚的功能性腦側化將隨腦部發育反轉，而發生左右顛倒的情形。我們相信端腦功能性側化確實存在於斑馬魚的學習和記憶過程中，但該現象是來自於先天形生(innated)的神經迴路？或是後天經驗學習後(acquired)才逐步建立？仍有賴進一步探討。本研究也觀察到即使對端腦進行較小面績的破壞，但倘若破壞到較關鍵的部位，仍會對空間和恐懼學習造成顯著的損害。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。