- 精選文章
文章專區
2020-02-01金魚腦也學得會？ 斑馬魚比你想的還聰明！
602 期
Author 作者
陳冠言／臺灣大學海洋研究所碩士生，來自基隆的大海、下輩子想當海豚。
俗話說：「魚只有七秒鐘記憶。」日常生活中，人們總習慣在記不起東西時，自嘲或嘲笑別人是個「金魚腦」，表示記憶能力之差勁。然而，魚兒的小腦袋瓜，真的是如此地沒用嗎？身為《科學月刊》優秀的讀者，在丟出金魚腦這個形容詞之前，不妨先思考個問題：該如何設計實驗驗證魚兒的學習能力呢？
驗證學習能力最簡單有效的方法，就是訓練魚兒學習某樣東西，並且訂定一些判別是否成功學會的指標，然後根據統計結果，分析不同物種或同物種在不同條件下的學習能力差異。探索頻道（Discovery）的《流言終結者》 （MythBusters）節目中，就曾經有訓練金魚學習過迷宮 的橋段，在嚴謹的行為實驗中更是有諸多細節值得注意與了解。本文將分別就不同階段，介紹讀者幾個有趣的實驗設計過程，首先就從如何訓練魚兒開始講述吧。
魚兒可以怎麼學？利用主動迴避實驗為了使動物產生學習的行為，需要藉由一些訓練的手段，以下先舉幾個常見的例子：一、想讓狗狗學會握手，需要在狗狗做出正確的動作之後，給牠喜歡吃的食物做為獎勵；二、想讓翹課的學生聽話，就要在他犯錯的時候，扣個幾分總成績達到警惕的效果（以上僅為舉例，不見得真的有效喔）。上述兩例，分別代表傳統上做行為實驗常見的訓練類型，前者為獎勵式的訓練，後者則為主動迴避 （active avoidance）式的方法。
以魚類做為目標生物的行為實驗中，大多是採取主動迴避的方式，因為魚類和常見的實驗哺乳動物（如小鼠）不同。不同之處在於，魚類相較之下非常耐飢餓，甚至可長達數週不進食！因此以食物當獎勵手段的訓練方式，誘因較低且操作上更為困難。
本文所介紹的相關研究文獻，主要是以電擊作為使魚類主動迴避的手段，且電擊的大小需剛好能使魚類產生迴避反應，而不至於過度驚慌。因為過度驚慌的反應如躍出水面等，有可能影響魚的正常學習能力，進而對後續判斷學習成效造成不可預期的變因。
金魚腦外的最佳選擇—斑馬魚腦
雖然本篇是以金魚腦做為開頭，但若要在諸多魚類研究中有最好的參照，身為模式物種的斑馬魚（Danio rerio）， 或許會是最佳的選擇。因為斑馬魚體積小、生殖周期短而且具有廣溫性（eurytherm），所以不僅適合在有限的空間中實驗，也可在最短的時間內觀察到不同世代的差異，且依據實驗需求設定在很廣的溫度範圍中飼養。因上述的特性，已經有諸多不同領域，從頭到尾、由內而外的研究，所以在做完行為實驗統計學習成效後，也能在諸如腦神經、內分泌及代謝途徑等相關研究中，尋找機制上更深入的解釋。因此，選擇斑馬魚做為全體魚類，擺脫金魚腦標籤的代言人，是再適合不過了。
魚兒上課囉！來學顏色辨識
如果有一天，你成了斑馬魚們的老師，最想讓斑馬魚們學習什麼呢？若要做個既簡單又有效率的行為實驗，學習標的是不能隨便選擇的。首先，學習的事物必須對斑馬魚是「中性（neutral）」的。所謂中性，就是此事物的性質對斑馬魚而言，並沒有特別明顯的偏好或偏惡，因為若是訓練斑馬魚學習基因內建就喜歡的東西，受到天生的行為所驅動，將會難以判斷最後觀察到的學習偏好，究竟是不是真的由訓練過程所產生，反之亦然。再者，讓斑馬魚學習的事物，最好能讓研究者方便觀察結果，畢竟如果最後變成讓研究者崩潰的行為實驗那可就不好了。綜上所述，「辨認顏色」就是訓練斑馬魚學習很好的標的之一。
.png)
圖中（A）為電腦主機與螢幕、（B）為監控鏡頭、（C）為電擊控制裝置、（D）為顯示紅藍色塊的螢幕、（E）為配備鐵絲網的玻璃缸及（F）斑馬魚。
訓練斑馬魚的研究裝置，可以是個長方形、十字型或Y 型的水箱，這些水箱的造型有著顯著的分區，目的在於方便研究者觀察斑馬魚行為上的選擇。在分區中設置不同顏色的燈光，並且在水箱周遭裝置能通過電流的鐵絲網，用以產生最小程度的電擊。筆者曾進行的實驗，是底部配有紅藍色塊各半的長方形水缸（圖一），底部的紅藍色塊是由螢幕所產生，並且可以隨機變換位置，藉此避免斑馬魚可能習慣待在同個地方而造成誤差。
圖一：斑馬魚與實驗裝置，此時正進行紅藍光訓練。（作者提供）
了解之後，接著就可以開始上課了。以筆者曾進行的實驗為例，課程採取每次一隻魚的一對一教學，課程目標是讓斑馬魚討厭藍色，內容大致分三個階段。首先，不對斑馬魚進行電擊，僅變換顏色的位置，並記錄斑馬魚在不同色塊上停留的時間與軌跡，目標是要確認斑馬魚個體的原始偏好。第二階段，開始對斑馬魚進行電擊，每個試驗的結尾若是斑馬魚停留在藍色區塊，則進行最小程度的電擊， 停留在紅色區塊則不電擊，同一隻斑馬魚連續重複40 次試驗後，休息20分鐘再重複此試驗，總共循環三次。
最後階段，則是在讓斑馬魚休息更長的時間後，測試斑馬魚的長期記憶能力，訓練重複第二階段的內容，只是要觀察曾經上過課的斑馬魚，回家休息後，還能不能記得訓練內容，更長的休息時間可以是半小時、一天或一週，取決於研究者的實驗設計。……【更多內容請閱讀科學月刊第602期】