揭開巴甫洛夫留下的百年之謎，關聯學習記憶的時間窗口被發現_風聞

以經典的果蠅嗅覺學習記憶為範式，結合多種神經遞質熒光探針，研究員發現五羥色胺雙向調節學習記憶的“一致性時間窗口”的新機理。

撰文 | 曾健智、李雪霖、李毓龍

為了在瞬息萬變的自然界中獲得儘可能多的生存、繁衍機會，動物進化出了關聯學習記憶的能力——將中性的條件刺激（conditioned stimulus，CS），與懲罰性或獎賞性的非條件刺激（unconditioned stimulus，US）關聯起來——從而實現趨利避害的本能。

最經典的關聯學習記憶範式莫過於俄國科學家伊萬·巴甫洛夫（Ivan Pavlov；1904年諾獎得主）對狗進行的“鈴聲-食物”關聯學習訓練。巴甫洛夫發現經過“鈴聲-食物”關聯訓練的狗聽到鈴聲即可預判食物的到來，從而提前分泌唾液。在他的學術著作《條件反射》一書中，巴甫洛夫寫道：“A … most essential requisite for … a new conditioned reflex lies in a coincidence in time of … the neutral stimulus with … the unconditioned stimulus.”

他敏鋭地注意到“時間”對於訓練效果的重要性：如果鈴聲響起一個小時後放飯，狗不能學會兩者之間的聯繫；只有當鈴聲和食物同時出現，狗才能夠學會二者之間的關聯。在真實情況中，鈴聲和食物之間並不是分秒不差地同時出現，而是有一定的時間間隔，研究者把能夠有效關聯CS和US的最大時間間隔稱為“一致性時間窗口（coincidence time window）”。雖然巴甫洛夫首次觀察並且記錄下了這一現象，但是他並不清楚隱藏在其背後的生物學機理。

- Danil Rusanov -

在巴甫洛夫首次記錄“一致性時間窗口”之後的一百年中，科學家相繼在人、海兔、果蠅、蜜蜂等不同物種的學習行為中觀察到了類似現象，時間範圍從幾秒鐘到一分鐘不等。此外，臨牀研究發現，一些神經發育不良、神經損傷或者神經退行性疾病患者表現出時間認知障礙，在巴甫洛夫式學習記憶測試中“一致性時間窗口”出現縮短或者延長的異常情況。異常縮短的時間窗口會導致動物難以學會事物之間正常的關聯；反之，異常延長的時間窗口會導致動物把原本不相關的事件聯繫在一起。

儘管有如此多跨物種、跨疾病的現象描述以及相關性實驗，但針對“一致性時間窗口”本身，仍有眾多未解之謎：如1）時間窗口長度是否可調？2）它是否影響學習記憶後突觸的可塑性變化？3）它受到什麼神經環路和分子機理的調控？

2023年1月26日，北京大學/深圳灣實驗室李毓龍團隊在《神經元》（Neuron）期刊在線發表了題為“Local 5-HT signaling bi-directionally regulates the coincidence time window for associative learning”的研究成果，以經典的果蠅嗅覺學習記憶為範式，結合李毓龍驗室開發的多種神經遞質熒光探針，發現五羥色胺雙向調節學習記憶的“一致性時間窗口”的新機理，並進一步解析了五羥色胺對突觸可塑性的調節，及其發揮功能的負反饋神經環路。

論文題目：

Local 5-HT signaling bi-directionally regulates the coincidence time window for associative learning

DOI：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.12.034

在果蠅嗅覺學習記憶範式中，果蠅在“氣味-電擊”訓練後會對特定氣味形成恐懼記憶。早在1985年Tim Tully和William Quinn等人就已經發現，隨着“氣味”和“電擊”的時間間隔增加，果蠅的學習效果逐漸變差。在此次研究中，團隊成員利用T-迷宮裝置復現了這個經典實驗，通過系統性地改變時間間隔，測得果蠅的“一致性時間窗口”為16.9 s。當通過遺傳學手段降低五羥色胺水平時，對應“一致性時間窗口”縮短。與之相反，通過抗抑鬱藥增加五羥色胺水平時，能夠相應地延長時間窗口。由此，研究人員發現“一致性時間窗口”的長短並非固定不變，而是大腦中一個能夠被五羥色胺水平雙向調節的動態變量。

學習記憶的本質是突觸可塑性變化，經典的電生理研究表明嗅覺學習記憶形成伴隨着蘑菇體（mushroom body，果蠅的嗅覺學習記憶中樞）中KC（Kenyon Cell）和MBON（mushroom body output neuron）之間的突觸抑制（synaptic depression）現象。團隊成員利用該實驗室開發的乙酰膽鹼探針復現了這一研究結果，在此基礎上發現“氣味-電擊”的時間間隔延長會導致可塑性變化消失，測量得到的“一致性時間窗口”為14.8 s，與行為學上16.9 s的數據極為相近。更重要的是，人為降低或者升高五羥色胺水平同樣能改變時間窗口的長短，表明五羥色胺是通過調節突觸可塑性，從而最終影響了學習行為。

在果蠅的大腦中，每個半球有且僅有一顆五羥色胺能DPM（dorsal paired medial）神經元投射到蘑菇體。團隊成員系統地解析了DPM的上下游神經環路，發現KC釋放的乙酰膽鹼激活DPM，而DPM釋放的五羥色胺對KC起到負反饋抑制作用。利用實驗室開發的五羥色胺探針，該論文發現DPM在蘑菇體不同功能區的五羥色胺釋放量並不均勻，而是呈現出空間特異性，五羥色胺局部水平差異賦予蘑菇體功能區不同的時間窗口。

五羥色胺能DPM神經元在蘑菇體中形成負反饋抑制神經環路，在突觸可塑性和嗅覺學習記憶兩個層面調節“一致性時間窗口”。丨J. Zeng, et al., Neuron, 2023

經典的赫布理論（Hebb’s rule）將突觸的可塑性變化解釋為“Cells that fire together, wire together”。1997~1998年，這一理論被一系列經典的電生理實驗證明，並進一步完善為脈衝時序依賴可塑性（STDP, Spike-timing-dependent plasticity）——突觸前、突觸後神經元同時興奮會產生“資格痕跡（eligibility trace）”，使突觸處於能夠被改變、但尚未發生改變的狀態，等待着第三個元素出現；第三個元素是由神經調製介導的懲罰或者獎勵信號，它的出現最終決定突觸可塑性變化的方向和幅度。但是這一理論並不完美，因為不清楚等待時間長短由什麼元素決定。曾有科學家推論五羥色胺很有可能發揮了這一功能，此次研究通過實驗證實了這一猜想，表明五羥色胺是赫布理論中被遺漏的“時間調節因子”。

這項工作圍繞巴甫洛夫學習記憶範式中重要的“時間一致性”問題，發現了一個完整的神經環路模型，揭示了神經遞質五羥色胺調節“時間一致性”的特殊角色，動物利用這一計時機制來判斷不同事件之間的因果關係。該研究有助於理解神經疾病導致學習記憶障礙的病理機制，為藥物干預患者的時間認知障礙提供新的見解。

*注

北京大學生命科學學院教授/深圳灣實驗室分子生理學研究所合作研究員李毓龍、深圳灣實驗室分子生理學研究所博士後曾健智為共同通訊作者，曾健智博士和北京大學生命科學學院博士研究生李雪霖為共同第一作者，張任子墨、呂明月博士、王藝潘、譚柯、夏西聚、萬金霞博士、張修寧、李瑜等對文章做了重要貢獻。該工作得到了北京腦科學與類腦研究中心井淼團隊、中科院生物物理所李巖團隊（楊揚）、中科院深圳先進技術研究院儲軍團隊（王亮）的通力合作。研究的支持來自北京大學膜生物學國家重點實驗室、北大-清華生命科學聯合中心、深圳灣實驗室、國家自然科學基金、北京市科委、峯基金、Clement & Xinxin Foundation和中國博士後科學基金。

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本文經授權轉載自微信公眾號“神經現實”，北京大學生命科學學院教授/深圳灣實驗室分子生理學研究所供稿，原標題為《李毓龍團隊發現五羥色胺調節關聯學習記憶的時間窗口，揭開巴甫洛夫留下的百年之謎》。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627322011552?dgcid=coauthor

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