Neuroscience Bulletin 2022年第6期封面文章│果蝇惩罚性嗅觉长期记忆间的排斥与共表达
长期记忆（long-term memory, LTM）是我们大脑的基本能力，它使我们能够利用过往经历来指导当下与未来的行为。在复杂的自然环境中，动物能够趋利避害、生存下来，很大程度上依赖于对LTM的灵活提取。在过去的近30年里，由于黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）具有低遗传冗余、神经回路简单以及可进行大规模基因筛选等优势，许多关于LTM的特性及其分子与细胞机制的发现来都来自于对果蝇嗅觉惩罚记忆的研究（图1）
图1 果蝇嗅觉惩罚记忆行为范式
传统观点认为，形成维持一周以上的LTM需要对果蝇进行4到10次、时间间隔为15分钟的重复训练。然而最近的研究发现，除了这种间隔重复训练才能产生的LTM（spaced training-induced LTM, spLTM）以外，还存在着另外两种在特定情境下才能够呈现的LTM，分别为仅能在原学习环境中提取的情境依赖LTM（context-dependent LTM, cLTM）和编码模糊信息的融合LTM（merged LTM, mLTM）。然而，这三种由嗅觉惩罚学习产生的LTM之间的关系并不清楚。
Neuroscience Bulletin在2022年第6期以封面文章发表了来自清华大学生命科学学院助理研究员李乾与合作者的题为“Exclusion and Co-expression of Aversive Olfactory Long-Term Memories in Drosophila”的研究论文。该研究首次探究了由同一种惩罚性学习事件产生的多个不同LTM之间相互排斥与共存的神经机制。
首先，研究人员通过在间隔重复训练后重建训练环境的方式发现了spLTM和cLTM无法叠加表现出来。为了进一步探究背后的逻辑关系，研究者们使用行为学、温度遗传学、药理学以及物理刺激等手段对spLTM的形成与提取阶段分别进行了阻断，并测试cLTM的提取是否受到影响。结果显示，通过神经环路操纵spLTM的提取并不能够使cLTM表现正常；而通过冷冻麻醉来打断spLTM的记忆固化、通过药物处理阻断记忆固化所需的蛋白质合成、以及在记忆固化期间阻断特定神经环路的递质释放均不影响cLTM的表现。因此，实验结果表明spLTM与cLTM之间存在着互相排斥的作用，即spLTM在记忆固化的过程中抑制cLTM的表达。研究人员还进一步发现，和前面提到的排斥关系所不同，cLTM与mLTM则可以同时在行为上表现出来。而在此基础上通过阻断蛋白质合成来选择性地破坏mLTM并不会影响cLTM的表现，证明了两者之间处于相对独立的共存关系。
图2 三种LTM之间的相互关系示意图
综上所述，该研究报道了spLTM与cLTM的表达存在互相排斥的关系，提示多次重复间隔的训练所产生的spLTM可能会抑制情境对于记忆提取的影响。同时，cLTM与mLTM之间则相互独立，并且能够共同协作来指导行为，可能更加有利于动物在自然界当中的“随机应变”。该研究深化了对多种并行记忆的选择性编码与提取机制的理解，有望对破译生物智能背后的运行逻辑以及开发类脑人工智能提供启发。
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Zhao B, Zhang X, Zhao J, Li Q. Exclusion and co-expression of aversive olfactory long-term memories in drosophila. Neurosci Bull 2022, 38: 657–660.
https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-022-00830-z
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