一氧化氮(nitric oxide, NO)在昆蟲視覺系統調控功能之研究/ 昆蟲神經生物學研究室

        二十世紀初期Mitchell等學者就已推測哺乳類動物體內會自行合成氮的氧化物;然而此類化合物卻被視為一般的代謝廢物,而未有進一步的研究。直到1980 年代一連串研究結果顯示,生物體內自行合成的NO在許多重要生理功能中扮演了重要的細胞訊息傳導物質的角色。在脊椎動物的生理系統中,除了一般較為熟悉的血管壁的擴張調節功能(endothelial-derived relaxing factor, EDRF)外,NO也是一種主要的神經訊息傳遞物質;此外NO也被用於進行神經可塑性(plasticity)的調整、神經生長時網路接合(neuronetwork coupling)的調控、細胞凋亡(apoptosis)機制的啟動,以及免疫反應中巨噬細胞(macrophage)用以對抗外來病原體的細胞毒素(cytotoxin)。在昆蟲方面,NO也被發現與螢火蟲的發光機制及蟋蟀的交配行為有密切的關係。在昆蟲的神經訊息傳遞調控方面,目前已知NO與中央神經系統中記憶及關聯學習(associative learning)的調控機能有關,並影響諸如嗅覺感受及其適應機制(habituation),以及視覺神經訊息的處理機制。
        NO是一種不穩定的氣體分子,在生物體內被合成後即可快速地向四周擴散,並自由地通過細胞膜等構造;不像傳統的神經傳導物質需要藉由泡囊(vesicle)包裝運送至突觸(synapse)釋出,然後才能與標的細胞(target cell)上特定的接受器(receptor)結合。其作用範圍只受到組織內擴散屏障(diffusion barriers)的影響,以及自身短暫的半衰期(half-life time)所限制,因此NO可在無擴散障礙限制的狀況下輻射地向四周擴散,同時對生成細胞本體及周邊的多個細胞造成影響。基於其作用特性及在昆蟲視覺系統的相關研究證據顯示,NO極可能在視覺系統應對光環境改變的光適應調控機制上扮演一重要的角色。
        為研究NO在昆蟲視覺系統調控的功能,本研究室已率先利用NO感測電極量測昆蟲視葉內由光刺激所誘發之NO訊息;結果顯示在蜜蜂(Apis mellifera)、黃斑黑蟋蟀(Gryllus bimaculatus)及臺灣大蝗(Chondracris rosea)等三種昆蟲的視葉內都可量測到由背景光改變所引發的NO濃度變化訊息;且記錄到的反應一致呈現由適應光刺激引發NO濃度上升及緊接之後衰減至比刺激前濃度還低的形式,讓我們推測大部分昆蟲應均利用相似的NO調控機制調整視覺系統的光適應狀態。此外我們也利用新一代改良的methanol/formalin fixation NADPH diaphorase組織化學染色技術研究各日齡蜜蜂工蜂成蟲腦內NO合成酶表現位置與量的變化。發現至少視葉中的lamina及medulla兩層視神經節中均一直具有NO合成酶活化的表現。此外,我們亦發現lamina及medulla部分區域NO合成酶的表現在特定日齡具有顯著地改變,且其發生時機恰與蜜蜂工蜂分工轉換的時程相關,顯示蜜蜂可能隨著工作於巢內與巢外的光環境不同,具有不同程度NO產生的能力。
        目前本研究室在此研究主軸上一方面正與本校生機系的江昭皚老師合作,開發更適用於昆蟲腦內等活體組織應用的NO感測電極及相關量測系統,以改良過去應用現有商品化電極耐久性不佳的問題,充分發揮應用量測電極針對單一記錄位置進行長時間精密解析記錄的優點,以取得更詳盡的資訊以進行深入探討。另外針對NO具有大範圍擴散影響的特性,本研究室亦在國科會的補助下建構了一套可適用於昆蟲大腦視葉的光學記錄系統(optical recording system),應用感測螢光染劑及光學顯微系統,並搭配高感度攝影系統,記錄昆蟲視葉內NO訊息調控的系統性調變及相關神經細胞內鈣離子濃度的變化,以探究NO調控視覺系統的機制;此系統可同時搭配電生理細胞內記錄技術及新開發的NO感測電極,針對NO調控系統在視葉中的各關鍵調控點進行精密的資訊解析,以深入了解NO調控各階層視覺神經的機制。

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