引言
動物在變化的環境中，會評估感覺線索的先天和後天效價。先天效價是與生俱來的本能，比如對威脅或食物的反應；後天效價則是根據經驗對先天效價的修正。以往研究認為，先天和後天效價由不同神經通路處理，以確保行為的可靠性和靈活性 【1-7】 。然而，先天效價如何影響後天效價的習得，以及這種影響有何功能，這兩個問題的答案尚不清楚。
2024年7月22日，史丹佛大學 Mark J. Schnitzer 教授課題組在 Nature 發表題為 Dopamine-mediated interactions between short- and long-term memory dynamic s的研究論文。這項研究表明， 果蠅大腦中，蘑菇體內短期和長期記憶單元之間透過 多巴胺訊號 整合先天和後天效價，共同調節記憶的形成和表達。
研究人員用電壓成像技術發現，原腦後外側1區域的多巴胺神經元 （PPL1-DANs） 可以編碼懲罰、獎勵和氣味線索的先天和後天效價。在學習過程的初期，PPL1-γ1pedc和PPL1-γ2α'1多巴胺神經元控制短期記憶的形成，PPL1-α'2α2和PPL1-α3多巴胺神經元控制長期記憶的形成。而隨著學習的進行，蘑菇體輸出神經元 （MBON） 中的MBON-γ1pedc>α/β不斷讀取已形成的短期記憶，透過對PPL1-α'2α2和PPL1-α3的抑制反饋，調節長期記憶的形成。
圖1. PPL1-DANs 異質且雙向地編碼懲罰、獎勵和氣味效價（Credit: Nature ）
研究人員用電壓成像技術，詳細記錄了果蠅學習時大腦中多巴胺神經元和蘑菇體輸出神經元的活動頻率。然後，研究人員根據果蠅大腦的連線組 （connectome） 資料庫，建立了一個數學模型來模擬蘑菇體神經網路的工作方式。這個模型很好地擬合了電壓成像數據。更重要的是，這個模型成功預測了多次訓練的最佳節奏，以及短期記憶對長期記憶消除訓練的影響，這些預測都得到了實驗的驗證。
圖2. 神經網路模型連線示意圖，包含三個蘑菇體模組（γ1、ɑ2、ɑ3）和9 種神經元（Credit: Nature）
這項研究 首次結合了電壓成像和連線組資料庫。電壓成像能以毫秒級分辨率監測神經元的 動作電位 ，並準確測量神經元的啟用和抑制。 電壓成像的精度超越了鈣成像，精確量化了多巴胺神經元對先天和後天效價的線性求和。 這些新發現為記憶處理提供了新的見解，並且有可能適用於脊椎動物基底神經節，為理解多巴胺系統如何塑造人類習慣提供新的思路。
參考文獻
1. Choi, G. B. et al. Driving opposing behaviors with ensembles of piriform neurons. Cell 146, 1004–1015 (2011).
2. Root, C. M., Denny, C. A., Hen, R. & Axel, R. The participation of cortical amygdala in innate, odour-driven behaviour. Nature 515, 269–273 (2014).
3. Marin, E. C., Jefferis, G. S. X. E., Komiyama, T., Zhu, H. & Luo, L. Representation of the glomerular olfactory map in the Drosophila brain. Cell 109, 243–255 (2002).
4. Sosulski, D. L., Bloom, M. L., Cutforth, T., Axel, R. & Datta, S. R. Distinct representations of olfactory information in different cortical centres. Nature 472, 213–216 (2011).
5. Paoli, M. & Galizia, G. C. Olfactory coding in honeybees. Cell Tissue Res.383, 35–58 (2021).
6. Ramírez-Lugo, L., Peñas-Rincón, A., Ángeles-Durán, S. & Sotres-Bayon, F. Choice Behavior Guided by Learned, But Not Innate, Taste Aversion Recruits the Orbitofrontal Cortex. J. Neurosci.36, 10574–10583 (2016).
7. Isosaka, T. et al. Htr2a-Expressing Cells in the Central Amygdala Control the Hierarchy between Innate and Learned Fear. Cell 163, 1153–1164 (2015).
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07819-w
責編 |探索君
排版|探索君
文章來源|「BioArt」
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