理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    利用ΔK280 TauRD折疊報導細胞篩選TRKB促效劑作為阿茲海默症治療策略
    (2022) 翁鉦逵; Weng, Zheng-Kui
    阿茲海默症(AD)為一種常見的與年齡相關的神經退化性失智症。其病理特徴包含在大腦中存在澱粉樣蛋白-β (Aβ)斑塊和神經纖維纏結(NFTs)的慢性累積。NFTs是由成對螺旋絲(PHF)在神經元內累積而成,而PHF主要是異常過度磷酸化Tau蛋白組成,會誘導一系列毒性事件,最終導致神經元變性和損傷。腦原性神經營養因子(BDNF)為一種神經營養因子。BDNF與其特異性受體原肌球蛋白相關激酶B (TRKB)結合後,導致TRKB二聚化和活化,隨後活化下游訊號,影響cAMP反應元件結合蛋白1 (CREB)在內的蛋白,來促進神經元存活和增加神經可塑性。證據顯示,在AD患者的大腦中BDNF和TRKB的表達量降低,因此增強TRKB訊號被認為是有希望的治療策略。本研究使用表達ΔK280 TauRD-DsRed促Tau錯誤折疊聚集的人類神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞,評估8種化合物抑制Tau錯誤折疊的情形。檢測的化合物中,香豆素衍生物ZN-015和喹啉衍生物VB-030和VB-037可減少細胞內ΔK280 TauRD聚集,並促進神經突生長。通過抑制細菌衍生的ΔK280 TauRD-His在生化分析中的聚集,ZN-015、VB-030和VB-037顯示出化學伴侶活性。此三者雖皆不具DPPH自由基捕捉能力,但ZN-015具氧自由基吸收能力。另外,ZN015、VB-030和VB-037抑制了凋亡蛋白酶-1 (Caspase 1)及/或乙醯膽鹼酯酶(AChE)活性。進一步的TRKB訊息傳遞路徑分析顯示,處理ZN-015、VB-030、VB-037後,細胞內p-TRKB (Y516)、p-TRKB (Y817)、p-AKT (S473)、p-ERK (T202/Y204)、p-RSK (S380)、p-CaMKII (T286)、p-CREB (S133)、BDNF、BCL2蛋白表現顯著增加,並伴隨著凋亡調節蛋白BAX的顯著降低。以TRKB的干擾性核糖核酸(RNAi)靜默TRKB基因表現後,可抑制ZN-015、VB-030、VB-037的促進神經突生長。色氨酸螢光猝滅分析(Tryptophan fluorescence quenching assay)顯示,ZN-015、VB-030、VB-037與畢赤酵母表達的TRKB胞外結構域(TRKB-ECD)直接相互作用,支持其透過TRKB訊號發揮作用。這些化合物作為TRKB促效劑的研究,能為AD提供新的治療策略。
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    以大鼠模式探討青少年期輕度腦創傷造成精神異常之機轉
    (2022) 楊士德; Yang, Shih-Te
    腦創傷 (traumatic brain injury, TBI) 為全球創傷導致死亡和殘疾的主要原因,研究顯示全世界每年約有5000至6000萬人受到腦創傷的影響,據統計其中輕度腦創傷 (mild traumatic brain injury, mTBI ) 約佔75至90%,且因診斷差異以及只有少部分的傷患會去醫院接受醫療,所以普遍認為其數目被低估,然而mTBI的研究文獻數量,約只佔TBI全數研究的八分之一。並且mTBI患者在創傷後常併發注意力缺失 (attention deficit)、記憶受損 (memory impairment)與情緒障礙 (emotional disorders),如:憂鬱症(depression disorder) 、焦慮症 (anxiety disorder),與嚴重腦創傷相比,輕度腦創傷反而更容易引起焦慮症與憂鬱症,並且有報導指出在創傷恢復的五至十年後,還是可以觀察到認知(cognitive)以及情緒上(emotional)的影響。人類腦部灰質發育於七歲達到高峰,並透過生活經驗進行突觸修飾(synaptic modification)直至青少年期 (juvenile stage),然而部分腦區如:前額葉皮質(prefrontal cortex)、海馬體(hippocampus)和杏仁核(amygdala) 的突觸修飾甚至可持續至成年,而這些腦區均與憂鬱症和焦慮症有高度相關,足見青少年期的不良經驗,為成年期是否產生情緒障礙的關鍵因素。本研究利用動物模式,探討青少年期輕度腦創傷處理後 (juvenile mild TBI treatment, mTBI-J) 導致成年期情感異常之病理變化及神經機轉。研究中探討輕度腦創傷所產生的精神異常現象,主要針對憂鬱症以及焦慮症進行研究設計,探討腦創傷程度、行為變化、分子機轉之影響。研究由四個面向進行分析,實驗結果顯示,(一) 青少年期大鼠 (六週齡) 接受於mTBI-J 後24小時,使用氯化四唑染色 (triphenyl tetrazolium chloride stain, TTC stain) 與蘇木素-伊紅染色 (hematoxylin and eosin stain, HE stain) 觀察腦創傷程度,和控制組相比,mTBI-J組未發現明顯腦損傷,但有輕微腦水腫 (brain edema)。(二) 青少年期接受 mTBI-J 處理的大鼠,於成年後 (九週齡) 自發性運動行為偵測 (locomotor activity test, LAT) 之結果顯示自發性運動和運動功能相對於控制組並沒有明顯改變;類憂鬱行為明顯增加,糖水之攝取量 (amount of sucrose intake) 明顯較低,且不掙扎時間百分比 (percent time of immobility) 明顯變少;類焦慮行為相對於控制組沒有明顯變化,在恐懼所促進的驚跳反應(fear-potentiated startle, FPS) 結果顯示,mTBI-J組的基礎驚跳反應 (basal startle) 明顯增加,但促進的驚跳反應百分比 (percent potentiated startle) 則無顯著變化,合併開放空間實驗 (open field test, OFT) 觀察進出中央次數與高架十字迷宮(elevated plus maze, EPM) 觀察開放臂與封閉臂的停留時間,推估mTBI-J組的類焦慮行為無明顯改變,但在聲音誘發的驚跳反應 (acoustic startle response, ASR)顯著增加,代表 mTBI-J 的處理會增加基礎驚跳值。(三) qPCR 結果顯示,背側海馬迴 (dorsal hippocampus, dHip) 與、腹側海馬迴 (ventral hippocampus, vHip) 中腦源性神經生長因子 (brain-derived neurotrophic factor , BDNF) 表現量下降,但其受體 (tropomyosin receptor kinase B, TrkB) 的表現量卻沒有明顯變化。西方墨點結果顯示,vHip的TrkB表現量下降,此結果與先前觀察到的mTBI-J組類憂鬱行為增加相互契合,然dHip的TrkB 和BDNF表現量並無顯著差異,顯示 mTBI-J 的處理影響到腹側海馬迴的功能。此外杏仁核處磷酸化ERK2 (phosphorylated-extracellular signal-regulated kinase 2, P-ERK2) 之表現明顯下降,電生理結果顯示,杏仁核中高頻刺激誘導長期增強作用(high frequency stimulation induced long-term potentiation, HFS-LTP)明顯增強,而海馬迴中HFS-LTP無顯著變化。此結果與先前觀察到的基礎驚跳值增加,與ERK2的磷酸化改變,進而影響到杏仁核的神經神經傳遞功能之假設相互契合。 (四) 進行機轉驗證:透過投與TrkB之促進劑7,8-二羥基黃酮 (7,8-DHF),發現可以改善mTBI-J組的類憂鬱行為。本研究之結果顯示mTBI-J處理雖然沒有造成明顯運動功能與組織學損傷,卻會增加成年期的類憂鬱與基礎驚跳值上升,在mTBI-J所引起的類憂鬱行為中,腹側海馬迴的 BDNF 表現量在其中扮演關鍵腳色。而mTBI-J所引起的基礎驚跳值上升則影響到杏仁核的突觸傳遞,可嘗試使用降低神經興奮性藥物進行改善,可以提供相關治療藥物的開發提供所需的方向及基礎。
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    以阿茲海默氏症小鼠初級細胞培養和動物模式評估具TrkB促效劑潛力化合物之治療效果
    (2021) 李佳瑜; Li, Chia-Yu
    阿茲海默氏症(Alzheimer' s disease, AD)是目前最常見的神經退化性疾病之一,至今尚無顯著有效的治療方法,該疾病會導致認知和行為問題,不論是對於個人或社會都造成極大的負擔。AD在病理學上主要有兩個病徵:類澱粉蛋白(β-amyloid peptides , Aβ)堆積成的斑塊(plaques)及Tau蛋白的過度磷酸化所導致的神經纖維糾結(neurofibrillary tingles, NFTs)。許多研究顯示AD病患腦中之腦源性神經滋養因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF)濃度較正常人低,且此現象可讓更多的Aβ生成。BDNF結合其受體原肌球蛋白相關激酶B(tropomyosin-related kinase B, TrkB)可調節長期增益效應(long-term potentiation, LTP)、突觸可塑性和神經元分化等,因此增強BDNF/TrkB訊號傳遞成為AD治療之潛力策略。7,8-二羥基黄酮(7,8-dihydroxyflavon, 7,8-DHF)是目前已知的最佳TrkB促效劑,可與細胞膜上的TrkB受體結合並引發受體之同源二聚化而啟動下游之訊息傳導。本研究使用7種與7,8-DHF結構類似,以及8種與Coumarin結構相似之化合物,篩選出具潛力之TrkB促效劑。首先確定Aβ25-35對小鼠海馬迴初級細胞培養的有效傷害濃度為5 µM,以建立AD體外模式篩選平台;我們以此平台篩選出最具神經保護之化合物ZN014進入動物實驗。我們以透過立體定位注射Aβ25-35到小鼠海馬迴CA1區建立AD小鼠模型,再評估7,8-DHF與ZN014對AD動物模式之效用,用藥期間進行一系列行為實驗,結果顯示ZN014可有效改善Aβ25-35所導致的短期記憶受損。在病理與分子機制分析上,我們利用免疫組織化學染色和西方墨點法分析小鼠海馬迴組織,結果表示ZN014可改善Aβ25-35所導致的神經細胞缺失,也可以緩解小鼠海馬迴的神經發炎。ZN014可能是藉由降低神經發炎以保護神經,進而改善因Aβ25-35所導致的記憶受損。綜合上述結果ZN014也許可以開發成具有AD治療潛力的藥物。
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    利用Aβ折疊報導細胞篩選黃酮及香豆素衍生物作為促效劑標的BDNF受體TRKB的阿茲海默症治療策略
    (2021) 黃鏡嘉; Huang, Ching-Chia
    阿茲海默症(AD)是與記憶缺陷和認知功能下降相關的進行性神經退行性疾病。病理學上AD的特徵是大腦中存在澱粉樣蛋白β (Aβ)聚集體(澱粉樣斑塊)和由高磷酸化的Tau蛋白形成的神經原纖維纏結(NFT)。腦源性神經營養因子(BDNF)是神經營養蛋白家族的成員,以高親和力與原肌球蛋白相關的受體激酶B (TRKB)結合,活化下游信號傳導,來促進神經元的存活、分化和神經可塑性。已經發現AD患者的腦中BDNF和TRKB表達水平降低,並且BDNF降低和TRKB受損導致AD中的神經變性。AD小鼠模型的海馬迴中施用TRKB特異性促效劑7,8-二羥基黃酮(7,8-DHF),可改善了空間記憶並降低樹突損傷,表明TRKB信號傳導增強,為有希望的AD治療策略。本研究使用表達Aβ-GFP的人類神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞,對15種黃酮和香豆素衍生物,進行Aβ聚集抑制性及神經保護性的評估。在測試的化合物中,ZN006、ZN013、ZN014、ZN015可抑制Aβ蛋白聚集、降低活性氧化物(ROS)、及抑制乙醯膽鹼脂酶(Acetylcholinesterase)活性,其中ZN014、ZN015並能抑制凋亡蛋白酶-1 (Caspase-1)活性及促進神經突生長(Neurite outgrowth)。在TRKB訊息傳遞路徑上,ZN014、ZN015可透過TRKB受體的Y516、Y817磷酸化,及下游ERK激酶T202/Y204磷酸化、AKT激酶S473磷酸化的活化,進一步促進轉錄因子CREB的S133磷酸化,來增強神經營養因子BDNF及抗凋亡蛋白BCL2的表現。RNA干擾(RNAi)靜默TRKB基因表現的實驗,驗證了這兩種化合物經由TRKB訊息傳遞的神經保護性。總言之,研究結果顯示ZN014和ZN015可抑制氧化壓力及乙醯膽鹼脂酶活性,並增強BDNF-TRKB訊息,來降低Aβ毒性,有潛能應用在AD的治療上。
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    以促進BDNF-TRKB訊息傳遞路徑作為阿茲海默氏症治療策略的ΔK280 TauRD-DsRed SH-SY5Y細胞模式分析
    (2020) 蔣妮霓; Chiang, Ni-Ni
    阿茲海默氏症(Alzheimer’s disease, AD)是一種漸進性神經退行性疾病,最常見的臨床症狀是記憶力衰退及認知功能下降。阿茲海默氏症的病理學特徵為大腦中含有Amyloid β (Aβ)聚集形成的類澱粉斑塊,以及過度磷酸化的Tau蛋白形成的神經纖維糾結(Neurofibrillary tangle, NFT)。神經營養因子腦源性神經滋養因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF)結合在受體型酪胺酸激酶B (Tropomyosin-related kinase B, TRKB)上時,會活化下游訊息傳遞路徑,最終磷酸化環磷腺苷效應元件結合蛋白1 (cAMP responsive element binding protein 1, CREB),來促進神經元存活和神經可塑性。臨床研究發現阿茲海默氏症病人的海馬迴及皮層中,BDNF蛋白或mRNA的表現量降低。小分子TRKB促效劑7,8-DHF (7,8-二羥基黃酮)可改善AD小鼠認知功能且抑制海馬迴突觸喪失,顯示促進TRKB訊息傳遞,為阿茲海默氏症有潛能的治療策略。本研究使用誘導表現ΔK280 TauRD-DsRed的人類SH-SY5Y細胞,檢測7,8-DHF及Wogonin (黃芩素)、DHFS-1 (即Quercetin槲皮素)、DHFS-2、Kaempferol (山奈酚)、Apigenin (芹菜素)等類似物的神經保護作用。在測試的黃酮類化合物中,7,8-DHF、DHFS-1、Apigenin可增加表現ΔK280 TauRD-DsRed細胞中,DsRed的螢光通量。處理7,8-DHF、DHFS-1、Apigenin可以使細胞內熱休克蛋白HSPB1表現增加,並增加ΔK280 TauRD-DsRed融合蛋白的可溶性,但不影響融合基因的mRNA表現量。另外, 7,8-DHF、DHFS-1、Apigenin的處理,可顯著降低內活性氧化物的生成及凋亡蛋白酶1活性,並增加NRF2轉錄因子的表現及促進神經突生長,但僅Apigenin可降低乙醯膽鹼酯酶活性。進一步的TRKB訊息傳遞路徑分析顯示,處理7,8-DHF、DHFS-1、Apigenin後,ΔK280 TauRD-DsRed細胞內p-TRKB (Y817)、p-ERK (T202/Y204)、p-CREB (S133)、BCL2蛋白表現顯著增加,並伴隨著凋亡調節蛋白BAX的顯著降低。以TRKB的RNA干擾(RNAi)作用靜默TRKB基因表現後,可抑制7,8-DHF、DHFS-1、Apigenin的促進神經突生長。本7,8-DHF及其類似物做為TRKB促效劑的研究,可提供阿茲海默氏症新的治療策略。
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    評估TrKB之潛力促效劑於阿茲海默氏症細胞與動物模式之神經保護效果
    (2019) 范家豪; Fan, Chia-Hao
    阿茲海默氏症(Alzheimer’s disease, AD)是目前最常見的神經退化性疾病之一,至今尚無顯著有效的治療方法。這種全球性的健康問題不論是對於個人或社會都有極大的影響。AD在病理學上主要有兩個病徵:類澱粉蛋白(β-amyloid peptides, Aβ)堆積成的斑塊(plaques)以及Tau蛋白過度磷酸化所導致的神經纖維糾結(neuro-fibrillary tangles, NFTs)。許多研究證實,在失智症病患腦中之腦源性神經滋養因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF)濃度較低,且此現象可令更多的Aβ生成。BDNF及其受體原肌球蛋白相關激酶B(tropo-myosin-related kinase B, TrkB),可調節長期增益效應(LTP)、長期抑制效應(long-term depre-ssion, LTD)、軸突出芽、樹突增生、突觸可塑性和神經元分化。7,8-二羥基黃酮(7,8-dihydroxyflavon, 7,8-DHF)是目前已知的TrkB促效劑,可與細胞膜上的TrkB受體結合並引發同源二聚化,啟動下游之訊息傳導。本研究是使用結構與7,8-DHF類似之12種新型的TrkB促效劑,經過MTT實驗評估發現12種促效劑對神經細胞都無明顯細胞毒性及神經突生長之影響。接著於小鼠海馬迴細胞初級培養給予Aβ25-35誘導神經損傷作為AD模式篩選平台,結果顯示LMDS-1能有效緩解因Aβ25-35寡聚體所導致的神經突長度及分支數目降低之現象,因此選擇LMDS-1進入動物實驗測試,並以7,8-DHF為正控制組。先利用立體定位注射Aβ25-35至小鼠海馬迴CA1區域以建立AD模式動物,再給予7,8-DHF或LMDS-1之處理,並於期間進行一系列行為實驗,結果顯示LMDS-1可有效改善因Aβ25-35誘導所導致的短期及長期記憶受損。在病理分析上,我們利用免疫組織化學染色和西方墨點法分析小鼠海馬迴組織,結果顯示LMDS-1可有效改善因Aβ25-35誘導所導致的Aβ堆積、成熟神經細胞缺失、pERK及synaptophysin表現量降低。由病理分析結果推論,LMDS-1可能是經由pY516TrkB活化Ras/MAPK路徑來激活CREB轉錄因子,進而上調mBDNF之表現量,改善因Aβ25-35所導致的記憶缺失。綜合上述結果,LMDS-1是具有治療AD潛力的新型TrkB促效劑,能夠改善動物記憶功能,並緩解AD代表性之病理特徵,希望能為日後AD研究提供一些新的方向與目標。
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    利用CRE motifs報導細胞和Aβ-GFP細胞篩選BDNF受體TRKB的小分子促效劑做為阿茲海默症治療策略
    (2019) 鄧伃珊; Teng, Yu-Shan
    阿茲海默症(Alzheimer's disease, AD),是一種與年齡相關的神經退化性疾病,會逐漸破壞認知功能、記憶和思考能力。腦源性神經滋養因子(Brain-derived neurotrophic factor, BDNF),透過活化高親和力受體--旋轉肌凝蛋白相關蛋白質激酶B (Tropomyosin-related kinase B, TRKB),並隨後磷酸化環磷腺苷效應元件結合蛋白1 (cAMP responsive element binding protein 1, CREB),來調節神經元存活(Neuronal survival)、新生(Neurogenesis)和神經可塑性(Neuroplasticity)。前人的研究發現BDNF和TRKB在AD患者腦中的表現量降低,且Aβ顯著下調BDNF、TRKB水平與降低CREB磷酸化。TRKB促效劑7,8-二羥基黃酮(7,8-Dihydroxyflavone, 7,8-DHF),可改善AD小鼠模型的記憶缺陷。此外,黃芩素(Wogonin)透過增加BDNF和CREB表現,可提升海馬迴神經元缺失和認知功能障礙。這些證據顯示大腦中BDNF-TRKB訊息傳遞與AD的關聯性,因此增強TRKB訊息傳遞是有潛力的AD治療策略。先前本實驗室與本校化學系孫英傑老師合作,透過化合物數據庫的化合物相似性搜索進行虛擬篩選,得到DHFS-1 (即Quercetin)、DHFS-2、Kaempferol、Apigenin等4個7,8-DHF類似物。本研究以7,8-DHF為控制組,檢測Wogonin及這4個類似物作為TRKB促效劑的潛能。首先檢測化合物的溶解度(Solubility),預測化合物的口服生物利用度(Oral bioavailability)、中樞神經系統有效性(CNS-activity)與血腦屏障通透性(Blood brain barrier permeability),並檢測化合物捕捉自由基和抑制Aβ聚集的能力。之後建立人類CRE motifs驅動GFP表現的293報導細胞,由上述6個化合物中篩選出能顯著提升CREB轉錄活性的7,8-DHF、DHFS-1、DHFS-2、Apigenin。再利用誘導表現Aβ-GFP的人類SH-SY5Y細胞,檢測所篩選出的潛力TRKB促效劑的神經保護作用。7,8-DHF、DHFS-1、DHFS-2、Apigenin四者皆有抑制Aβ蛋白聚集、降低活性氧化物(ROS)以及促進神經突生長(Neurite outgrowth)之能力。四者中DHFS-1、DHFS-2、Apigenin可抑制凋亡蛋白酶-1 (Caspase-1)的活性,7,8-DHF、Apigenin可抑制乙醯膽鹼脂酶(Acetylcholinesterase)活性。此外,TRKB的RNA干擾(RNAi)作用,會抑制7,8-DHF、DHFS-1、DHFS-2、Apigenin促進神經突生長能力。因此除了已知的7,8-DHF外,DHFS-1、DHFS-2、Apigenin也可能是透過TRKB訊息傳遞來促進神經保護作用。本研究將衍生新穎TRKB促效劑,以期提供阿茲海默症治療策略。
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    Association of polymorphisms in BDNF, MTHFR, and genes involved in the dopaminergic pathway with memory in a healthy Chinese population
    (Elsevier, 2012-11-01) Yeh, T. K.; Hu, C. Y.; Yeh, T. C.; Lin, P. J.; Wu, C. H.; Lee, P. L.; Chang, C. Y.
    The contribution of genetic factors to the memory is widely acknowledged. Research suggests that these factors include genes involved in the dopaminergic pathway, as well as the genes for brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and methylenetetrahydrofolate reductase (MTHFR). The activity of the products of these genes is affected by single nucleotide polymorphisms (SNPs) within the genes. This study investigates the association between memory and SNPs in genes involved in the dopaminergic pathway, as well as in the BDNF and MTHFR genes, in a sample of healthy individuals. The sample includes 134 Taiwanese undergraduate volunteers of similar cognitive ability. The Chinese versions of the Wechsler Memory Scale (WMS-III) and Wechsler Adult Intelligence Scale (WAIS-III) were employed. Our findings indicate that the BDNF Met66Val polymorphism and dopamine receptor D3 (DRD3) Ser9Gly polymorphism are associated significantly with long-term auditory memory. Further analysis detects no significant associations in the other polymorphisms and indices. Future replicated studies with larger sample sizes, and studies that consider different ethnic groups, are encouraged.