交規(guī)第一課就是要知道紅燈停,綠燈行,這種紅綠燈的聯(lián)想記憶是深入骨髓的。假如你只身來到了一個(gè)平行宇宙,這個(gè)宇宙用的是另一套交通燈系統(tǒng),比如紫燈停,藍(lán)燈行,或者橙燈停,白燈行呢?沒人告訴你這個(gè)規(guī)則,你只能通過不斷試錯(cuò)來了解,有一天,你試圖將地球上的紅綠燈規(guī)則照搬到了紫藍(lán)燈或者橙白燈系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)還真是這么回事!至此,新的聯(lián)想記憶就完成了。
小鼠可不是老司機(jī),作為一個(gè)重度近視+紅綠色盲癥患者,它要學(xué)習(xí)這一套“交通燈系統(tǒng)”可不容易。最近來自加州大學(xué)爾灣分校的一群科學(xué)家終于通過氣味-獎(jiǎng)勵(lì)訓(xùn)練教會(huì)了小鼠這套“交通規(guī)則”:他們規(guī)定小鼠聞到氣味A后舔吸管有糖水獎(jiǎng)勵(lì),聞到氣味B后舔吸管會(huì)有奎寧水懲罰。于是小鼠很快就學(xué)會(huì)了氣味-獎(jiǎng)賞的聯(lián)系,掌握了”A氣味行“,”B氣味停“的“地球規(guī)則”。隨后小鼠被放置到”平行宇宙“,此時(shí)新的C氣味和D氣味出現(xiàn),它開始學(xué)習(xí)新的規(guī)則了(即“C氣味行,D氣味?!保?,在這一組試驗(yàn)結(jié)束后,新氣味又變成了E和F,G和H……,每一組新氣味都有一個(gè)“行”和一個(gè)“?!?,被統(tǒng)稱為氣味1(行)和氣味2(停),也就是說,小鼠要學(xué)會(huì)的不僅僅是從某一種特定氣味聯(lián)想到對(duì)應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)/懲罰,還要具備“遷移思維”:從地球交通規(guī)則中領(lǐng)悟到平行宇宙中同樣的氣味-獎(jiǎng)勵(lì)規(guī)律。
-Lee et al., Nature-
這種聯(lián)想記憶的形成和存取是由哪些腦區(qū)、環(huán)路控制的呢?之前的研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)嗅皮層(entorhinal cortex)與聯(lián)想記憶密切相關(guān),既然如此,這個(gè)任務(wù)是否同樣能追本溯源到內(nèi)嗅皮層中?為此,研究人員用光遺傳手段在聯(lián)想學(xué)習(xí)階段分別抑制外側(cè)內(nèi)嗅皮層(lateral entorhinal cortex,LEC)的扇形細(xì)胞(fan cells)和內(nèi)側(cè)內(nèi)嗅皮層(medial entorhinal cortex,MEC)的錐形細(xì)胞(pyramidal cells),發(fā)現(xiàn)抑制LEC扇形細(xì)胞會(huì)讓新氣味(氣味1、2)的學(xué)習(xí)大打折扣,而對(duì)已有的舊氣味(氣味A、B)沒有影響,相比之下,MEC的錐形細(xì)胞似乎對(duì)這兩種行為都沒有影響,這個(gè)實(shí)驗(yàn)說明,外側(cè)內(nèi)嗅皮層的扇形細(xì)胞才是控制氣味-獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)的主力。
為了研究扇形細(xì)胞在學(xué)習(xí)過程中的活躍情況,研究者運(yùn)用“opt-tag”的方法記錄了213個(gè)LEC的扇形細(xì)胞,他們發(fā)現(xiàn)LEC扇形細(xì)胞在學(xué)習(xí)過程中非?;钴S:隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)行,這些細(xì)胞有的特異性對(duì)氣味A和氣味1有反應(yīng),有的則對(duì)氣味B反應(yīng),這些反應(yīng)也隨著時(shí)間的變化而變化。通過主成分分析(PCA)來研究扇形細(xì)胞對(duì)不同氣味反應(yīng)隨時(shí)間的軌跡,可以看到初期扇形細(xì)胞對(duì)氣味A和氣味B的反應(yīng)差別并不大(體現(xiàn)在高維空間中的軌跡之間的距離很?。?,但隨著學(xué)習(xí)的深入,細(xì)胞對(duì)氣味A和氣味B的反應(yīng)開始區(qū)分彼此了。有意思的是,如果觀察細(xì)胞對(duì)氣味A和氣味1的軌跡,可以看到這兩者在學(xué)習(xí)后期越來越接近(甚至重疊)——似乎小鼠學(xué)會(huì)了把氣味A和氣味1歸為了有獎(jiǎng)勵(lì)的同一組,并且堅(jiān)決與氣味B和氣味2劃清“楚河漢界”。
-Lee et al., Nature-
扇形細(xì)胞是受了什么上級(jí)指示才學(xué)會(huì)這個(gè)規(guī)則的呢?任務(wù)中氣味-獎(jiǎng)勵(lì)的聯(lián)系讓人聯(lián)想到強(qiáng)大的多巴胺系統(tǒng)。研究人員發(fā)現(xiàn)LEC受到不少來自腹側(cè)被蓋區(qū)(ventral tegmental area,VTA)和黑質(zhì)致密部(substantia nigra pars compacta,SNc)腦區(qū)多巴胺能神經(jīng)元的投射,如果通過光遺傳技術(shù)抑制掉這些多巴胺投射,就可以破壞小鼠對(duì)新氣味的聯(lián)想學(xué)習(xí)能力。如果通過光纖光度儀來捕捉多巴胺能神經(jīng)元投射的軸突鈣信號(hào),研究人員發(fā)現(xiàn),在小鼠只能聞到舊氣味A、B時(shí),他們檢測(cè)不到任何鈣信號(hào)反應(yīng),而在小鼠接觸到新氣味時(shí),多巴胺神經(jīng)元的鈣信號(hào)開始發(fā)放了:這一階段包含了A、B、1、2四種氣味,小鼠對(duì)氣味A和1產(chǎn)生了選擇性的鈣信號(hào)活性,剛開始雖然它對(duì)氣味2也有反應(yīng),但后面發(fā)現(xiàn)氣味2只能舔到“寂寞的苦”,久而久之也就和對(duì)氣味B一樣,態(tài)度冷淡下來了。不僅如此,在扇形細(xì)胞放電的高維軌跡圖中,如果細(xì)胞對(duì)氣味A和氣味1的反應(yīng)在高維空間中的重疊、相似程度越高,則小鼠做任務(wù)的正確率越高,相反,如果氣味A和氣味B的分開程度越小,則小鼠的正確率越低。如果用光遺傳技術(shù)抑制掉多巴胺投射,細(xì)胞對(duì)氣味A和氣味1的反應(yīng)就不再在空間上重疊,小鼠做任務(wù)的正確率也隨之降低了。這些結(jié)果說明LEC區(qū)域的多巴胺信號(hào)控制著新的聯(lián)想學(xué)習(xí)產(chǎn)生。
-Lee et al., Nature-
可見,要想聯(lián)想記憶好,外側(cè)內(nèi)嗅皮層的多巴胺必不可少呀!
本文來自微信公眾號(hào)“神經(jīng)現(xiàn)實(shí)”(ID:neureality),作者:Veronica,36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
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