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輸出神經元回頭指揮多巴胺神經元:MBON→DAN 回饋迴路

教科書上的蘑菇體是單向的:氣味從 Kenyon 細胞流到輸出神經元,多巴胺神經元從旁改寫兩者之間的接點。本庫四篇論文各自找到反方向的路(四篇合計六條連結),讓輸出神經元回頭改變多巴胺神經元的活動;但這些路的位置、作用時機與證據強度都不同,而且沒有一條在活的果蠅身上被直接量到「輸出神經元正在推動多巴胺神經元」。

想像一間教室。學生(Kenyon 細胞)回答問題,考官(輸出神經元)聽答案、決定果蠅往哪裡走,助教(多巴胺神經元)在旁邊打分數,分數決定下次哪位學生的聲音會被考官聽得更清楚。照這個安排,資訊只往一個方向流:學生說給考官聽,助教只看外面發生了什麼事(吃到糖、被電)來打分數。考官從不跟助教說話。

可是有幾種情況,這個單向的教室解釋不了。糖已經吃完、外面什麼都沒發生,記憶卻還在一小時內持續被寫進去,是誰在繼續打分數?學過「這個氣味有糖」之後,再聞到它卻沒有糖,果蠅會修改記憶;這時外面同樣什麼都沒發生,「預期落空」這個訊號又是誰送給助教的?本頁要講的就是一個共同的答案:考官會回頭對助教說話,也就是輸出神經元的活動會改變多巴胺神經元的活動。四篇論文看到的是這個答案的四種版本,彼此說的不是同一件事。

讀這一頁需要的幾個詞

第一個難題:糖拿走之後,誰繼續打分數

依 s-ichinose-2015-reward-recurrent-circuit 的引言,果蠅吃一次有營養的糖,就能形成一天後還在的長期記憶,但這份記憶在訓練剛結束時量不到,要過一段時間才出現。所以訓練結束、糖拿走之後,一定還有東西在推動記憶寫入。

作者找到的候選是一個同格迴圈。α1 是 α 葉最底部的一格,由獎賞型的 PAM-α1 支配、由 MBON-α1 讀取。在光學顯微鏡下,MBON-α1 的末梢貼在 PAM-α1 的樹突上。末梢帶有把麩胺酸(glutamate,一種神經傳遞物質)裝進待釋放小囊的蛋白質,表示 MBON-α1 用麩胺酸傳訊號;一種「兩方膜貼得夠近才會發光」的標記法(GRASP)也在這裡發光。訊號因此可以繞一圈:訓練時,氣味正在活化 KC,吃糖讓 PAM-α1 放多巴胺到 α1;α1 裡的 KC 把氣味訊號交給 MBON-α1,MBON-α1 再回頭刺激 PAM-α1。

行為實驗把迴圈上的每一環都關掉看看:

作者據此提出:吃糖時 PAM-α1 在 α1 格的 KC 上留下新的痕跡(作者稱「新生的記憶痕跡」,指訓練在 KC 上造成的改變),MBON-α1 讀到它,用麩胺酸回頭興奮 PAM-α1,讓多巴胺在糖拿走之後繼續放一段時間,把痕跡鞏固成長期記憶。這裡有一個模型沒交代的地方:糖拿走之後,氣味通常也不在了,KC 為什麼還會驅動 MBON-α1?作者只說這個迴圈有「持續的活動」,沒有說明活動從哪裡來(來源頁第 3.11 節)。作者也推想,這段延長的多巴胺出現時氣味已經不在,可能讓別的氣味也沾上一點獎賞,所以長期記憶比短期記憶更不挑氣味;這一點是假說,論文沒有測過關掉迴圈後專一性會不會回來。

代價在證據的形式。 這篇沒有記錄任何一顆神經元的活動,也沒有量多巴胺。四項行為與解剖結果彼此一致,卻沒有一項直接量到「MBON-α1 → PAM-α1」這條連結:

s-aso-2016-dan-cell-type-rules 提供了一個旁證。它讓氣味與「用光活化某一組 DAN」一起出現,分別用六組 DAN 寫入記憶。其中五組另做了一項測試:寫入之後,再「只活化 DAN、不給氣味」。作者的解讀是,多巴胺出現時氣味不在,代表先前學到的「氣味預告獎懲」不太可靠,所以記憶可能被削弱。每組在寫入後測一次、在「只活化 DAN」之後再測一次。結果五組中四組第二次測驗顯著變弱,只有 α1 那組幾乎不掉(第二次與第一次分數的比值約 0.9)。作者只是指出這個例外與 Ichinose 2015 的迴圈都發生在 α1,沒有說明迴圈如何讓記憶抵抗削弱,也沒有檢驗兩者的因果,所以這個旁證的份量輕。

第二個難題:一群助教怎麼協調

s-cohn-2015-coordinated-neuromodulation 問的不是記憶,而是 DAN 群體的活動樣式由什麼決定。作者在 γ 葉五格中的 γ2–γ5 四格同時看 DAN 末梢的鈣。吃糖時 γ4、γ5 的 DAN 變活躍、γ2、γ3 的變安靜;電擊時倒過來。頭被固定的果蠅沒受任何刺激時,這兩種樣式也會輪流出現:掙扎時像電擊,靜止時像吃糖。所以 DAN 不是各自為政,而是以一整排的組合樣式在變動,而且樣式跟著果蠅的行為狀態走。

作者接著用 P2X2 加 ATP,每次只活化 γ 葉某一格的那一型 MBON(γ2、γ3、γ4、γ5 各做一組),看四格 DAN 的反應。每一次,每一格的 DAN 都有反應,有的變活躍、有的變安靜。 例如活化 γ2 的 MBON,γ2 的 DAN 變安靜,γ3、γ4、γ5 的變活躍;活化 γ5 的 MBON,γ2、γ3、γ4 的 DAN 都變安靜,γ5 自己的 DAN 略為變活躍(依來源頁從圖判讀的整理)。另外,單獨活化 γ4、γ5 的 DAN,也會讓 γ2 的 DAN 變安靜,所以 DAN 之間也互相牽動。作者在討論中的說法是:DAN 網路把外在情境、內在狀態與 MBON 回饋整合起來,代表動物當下的經驗。

這一版的回饋和 Ichinose 的不一樣。它不是「一格的讀者回頭叫醒同一格的助教」,而是一型 MBON 改變整排 DAN 的組合。它也沒有綁在某一種記憶上。跟著行為狀態變的是 DAN 的整體樣式;作者把 MBON 回饋看成這個 DAN 網路整合的輸入之一。MBON 回饋本身會不會隨狀態改變,這篇沒有測。

這和突觸有什麼關係?同一篇另外在取出的腦裡量了 DAN 對突觸的作用。作者把乙醯膽鹼(KC 接收嗅覺訊號時用的化學物質)滴到 KC 上,代替氣味刺激 KC;再用 P2X2 加 ATP 活化 γ4、γ5 的 DAN;然後用電極量 γ4 MBON 從 KC 收到的電流,電流越大表示這個突觸傳得越多。作者在 DAN 活化之前與之後各量一次 KC 刺激引起的電流,兩次量測都與 DAN 活化相隔 45 秒以上(兩者不湊在一起)。結果突觸大幅變強:電流約由活化前的 1.5 增至活化後的 16 pA(從圖判讀),約十倍。兩者若在 0.5 秒內湊在一起,突觸反而變弱,也就是一般學習的方向。※ 推論:既然 MBON 能改變各格 DAN 的活動,而 DAN 活動又能改變突觸,MBON 就可能間接改變各格的突觸強度;但 Cohn 2015 沒有做「活化 MBON 之後看突觸」的實驗,這一步沒有資料。

代價: 每種活化的 n 為 8 到 12(n 的單位圖說沒有寫明),統計放在本庫未取得的補充表。作者自己寫的是「直接或間接的溝通」與「多突觸的交互作用」,沒有做能分辨直接連結的實驗。ATP 噴在葉外的一處,那裡同時有 DAN 的樹突(收訊號端)與 MBON 的軸突(送訊號端)。照設計,沒有 P2X2 的 DAN 不該被 ATP 活化,但這要靠對照確認;若 ATP 本身能影響附近的 DAN,圖上的 DAN 變化就不一定來自 MBON。能排除這一點的「沒有 P2X2、只噴 ATP」對照,在這組實驗裡不在主文中(來源頁註記主文只對另一組實驗報了這種對照),補充資料裡有沒有,?待查。這組實驗是在活體還是離體做的,來源頁沒有記錄,?待查。Cohn 2015 的正文說,這些 MBON 活化引出的樣式「類似真實的獎懲經驗」(也就是吃糖或電擊時的樣式)。但四種中兩種接近吃糖的樣式,另兩種兩者都不像,沒有一種像電擊;這句話只在「多格同時改變、有升有降」這個寬鬆的意義上成立。

第三個難題:預期落空時,教學訊號從哪裡來

s-felsenberg-2017-re-evaluation 與 s-felsenberg-2018-memory-extinction 是同一團隊的兩篇,2017 年那篇處理獎賞記憶的消退與再鞏固,2018 年那篇處理嫌惡記憶的消退。行為的細節見 t-memory-updating,這裡只講回饋的部分。對兩種消退,兩篇的共同主張可以分三步說(再鞏固不同,另見下文)。第一,學習會讓 CS+ 送到某一側 MBON(「靠近」或「走開」)的訊號變弱,於是 CS+ 驅動另一側的 MBON 相對較強,網路就偏向一邊。第二,再聞到 CS+ 時,被驅動得比較強的那一側 MBON,會回頭叫醒與舊記憶價值相反的 DAN(舊記憶是獎賞,就叫醒懲罰型;舊記憶是懲罰,就叫醒獎賞型)。第三,這些 DAN 送出的教學訊號寫下一筆方向相反的新記憶,抵銷一部分舊記憶。

獎賞記憶的消退(Felsenberg 2017)。 果蠅學會「氣味配糖」後,再聞 CS+ 兩次而不給糖,偏好就消失。在重新聞氣味的時段關掉 PPL1 群(懲罰型),消退被擋住一部分;關掉 PAM 群沒有影響。往上游找,關掉 α 與 α′ 葉上一群叫 V2 的 MBON(屬於推動「靠近」那一側),消退也被擋住一部分。作者在取出的腦裡用光活化 V2,比較活化前後 PPL1 細胞體的鈣:每隻果蠅看三顆,一顆變活躍、一顆變安靜、一顆不顯著,變化幅度約 ±0.05 ΔF/F₀(從圖判讀),也就是螢光只變了約 5%,比下文其他連結的反應(0.5 以上)小一個量級。三顆細胞各屬哪一型沒有指認。摘要把這寫成 V2「驅動」懲罰型 DAN,比圖上的資料強。

模型還缺一步。作者需要「學過之後,CS+ 對 V2 的驅動相對較強」,但他們自己在活的果蠅上量到,訓練後 V2 與兩型 PPL1(支配 α′2α2 與 γ1pedc 的那兩型;γ1pedc 是 γ 葉根部一帶的一個區室名)對 CS+ 的反應都沒有變。這一步改靠另一篇論文(Owald et al. 2015)的結果推論:獎賞訓練讓 CS+ 送到「走開」那一側 MBON 的訊號變少,天平因此相對偏向「靠近」那一側。這是推論,本篇沒有直接量到。而且推論本身還缺一環:V2 對 CS+ 的反應既然沒變,它送給 PPL1 的訊號也就沒變;「走開」那一側變弱,要能讓 PPL1 被 CS+ 叫醒得更多,PPL1 必須同時收到「走開」那一側的輸入、並比較兩側。論文沒有交代 PPL1 是否收到這種輸入(※ 推論)。所以這條消退回饋在活的果蠅上沒有直接證據。

獎賞記憶的再鞏固(Felsenberg 2017)。 這一段分三部分:怎麼看出記憶變得不穩、需要哪些細胞、它們之間的連結。

先看行為。改讓果蠅再聞 CS−,偏好保住,但記憶會進入一段不穩定期:低溫麻醉會破壞還不穩定的記憶,已穩定的記憶則不怕它,所以可以用它測記憶在哪段時間不穩。聞完 CS− 後立刻或 30 分鐘時把果蠅放在冰上 2 分鐘,記憶就消失;90 分鐘後再冰,記憶的下降就不顯著。作者的解讀是,CS− 在訓練時本來就沒有配糖,再聞到它只是重演訓練的一部分,所以記憶被叫出來、重新存一次,而不是被改寫(為什麼這樣算,見 t-memory-updating)。若在這段期間關掉某一環、記憶就消失,表示重新存回去需要它。

再看需要哪些細胞。這條路需要 γ2α′1 那一格的 MBON(※ 推論:這一格由 PPL1 支配,依上述通則,它的 MBON 屬於推動「靠近」的一側)與同一格的懲罰型 DAN(PPL1-γ2α′1,論文用舊名 MB-MV1),兩者都是在聞 CS− 的當下需要;PAM 群則是在聞完之後立刻需要,90 分鐘後再關就影響不顯著。γ2α′1 MBON 另外還是果蠅「表現」記憶所需的:只在記憶測驗時關掉它,果蠅也表現不出偏好。

最後看連結。在取出的腦裡用光活化 γ2α′1 MBON,比較活化前後的 ΔF/F₀:PPL1-γ2α′1 約由 0.03 升到 0.72(4 筆資料),PAM 在 γ5 格量到的約由 0.01 升到 0.53(5 筆資料)(皆從圖判讀)。成像也找到一個訓練留下的痕跡:糖獎賞訓練後,γ2α′1 MBON 對 CS− 的反應,比只聞氣味、不給糖的「假訓練」組大約 14% 與 24%(兩種氣味輪流當 CS+,各得一個數),對 CS+ 則不變。作者的說法是:訓練讓這顆 MBON 對 CS− 特別敏感,再聞到 CS− 時,它同時叫醒同格的 PPL1 與水平葉(γ5 所在的 γ 葉屬於水平葉)上的 PAM,PAM 在之後一段時間把原本的獎賞記憶重寫一次。為什麼重存一份獎賞記憶也需要懲罰型的 PPL1-γ2α′1,論文沒有解釋。這裡有兩種回饋疊在一起:γ2α′1 MBON → PPL1-γ2α′1 是同格的,γ2α′1 MBON → PAM(在 γ5 量)是跨格的。

嫌惡記憶的消退(Felsenberg 2018)。 這是前一篇的鏡像:學會「氣味配電擊」後,再聞 CS+ 而不電,躲避減少約三分之一到一半。這時需要的是 PAM(獎賞型),不是 PPL1。教學訊號的來源是兩顆推動「走開」的 MBON:M4β′(樹突在 β′2 格)與 M6(樹突在 γ5 格)。

這條路之所以合理,是因為它有一部分量到了:嫌惡訓練讓推動「靠近」的 MVP2(樹突在 γ1pedc 格的一顆 MBON,放出抑制性的傳遞物質)對 CS+ 的反應變小,MVP2 原本會抑制 M4β′ 與 M6,於是 M4β′ 與 M6 的軸突對 CS+ 的反應變大。這些在活的果蠅上用鈣成像量到了。之後的一環「CS+ 經 M4β′/M6 叫醒 γ5 的 PAM」只有離體活化與行為阻斷支持:作者想在活的果蠅身上看到學習後 γ5 DAN 對 CS+ 的反應變大,但這群 DAN 自己會不停起伏放電,蓋過了氣味引起的訊號(論文說「資料未示」)。最後,消退在 M6 的樹突上留下新的痕跡(CS+ 的反應相對 CS− 變小),寫在 γ5 格,也就是被叫醒的 PAM 所支配的那一格。

※ 推論:M6 的樹突在 γ5,所以「M6 → γ5 PAM」是回到自己這一格的同格回饋,「M4β′ → γ5 PAM」才是跨格的;但這兩顆在實驗中由同一個品系一起操弄,分不出是哪一顆在叫醒 γ5。

這篇還有一個對讀回饋有用的提醒:只做了嫌惡訓練、還沒消退的果蠅,M6 樹突上看不出 CS+ 與 CS− 的差別,軸突上卻看得出來,因為 MVP2 的抑制接在 M6 樹突的根部,也就是各分枝收來的訊號匯流、要往軸突送出去的地方;樹突上的量測點在這個關口的上游,看不到關口之後的變化。回饋是從 MBON 的輸出端送給 DAN 的,所以只看樹突,可能會漏掉真正送出去的變化。

證據有多硬

下表把四篇的每一條連結,依證據的種類並列。「解剖」是看到兩者貼在一起;「離體活化」是在取出的腦裡活化 MBON、看 DAN 的鈣;「行為阻斷」是關掉某一環、看記憶;「活體活動」是在活的果蠅做相關行為時,直接看 DAN 被 MBON 推動。

連結 位置 解剖 離體活化 行為阻斷 活體活動
MBON-α1 → PAM-α1(Ichinose 2015) 同格 光學顯微鏡下貼合、GRASP 沒有做 關 MBON-α1、關 PAM-α1、PAM-α1 少 NMDA 受體都傷長期記憶;活化 MBON-α1 足以寫入記憶 沒有量
γ 葉各 MBON → γ2–γ5 各格 DAN(Cohn 2015) 同格與跨格 本頁四篇未提供 每格 DAN 都有反應,n = 8–12(活體或離體,?待查) 沒有做(全篇沒有行為選擇的測驗) 沒有在「MBON 推動 DAN」的情境下量
V2 群 MBON → PPL1(Felsenberg 2017) 鄰格(論文摘要的說法;被成像的細胞未指認型別) 本頁四篇未提供 三顆細胞一升、一降、一不顯著,約 ±0.05 關 V2 部分擋住消退 V2 與兩型 PPL1 的氣味反應在訓練後不變
γ2α′1 MBON → PPL1-γ2α′1(Felsenberg 2017) 同格 本頁四篇未提供 約 0.03 → 0.72,4 筆 關 MBON 或關 DAN 都傷再鞏固 沒有量;只量到 MBON 對 CS− 反應變大
γ2α′1 MBON → PAM(Felsenberg 2017) 跨格(在 γ5 量) 本頁四篇未提供 約 0.01 → 0.53,5 筆 聞完 CS− 立刻關 PAM 傷再鞏固 沒有量
M4β′/M6 → γ5 PAM(Felsenberg 2018) M6 同格、M4β′ 跨格(※ 推論) 本頁四篇未提供 約 +1.75,5 個腦;γ4 無顯著反應 關兩顆 MBON 削弱消退,但 CS− 組結果反常 想量但量不到(DAN 自發起伏)

讀這張表要注意三件事。第一,沒有一列在「活體活動」那一欄有正面結果。第二,沒有一列能分辨直接與間接;Ichinose 2015 的解剖最接近,但仍是光學顯微鏡,看得到貼合、看不到突觸。第三,關掉 MBON 的效果只有一部分:關掉 V2 後,消退只被擋住一部分,偏好仍減少了一些。再鞏固時關掉同格的 DAN(PPL1-γ2α′1),記憶幾乎歸零;但關掉 γ2α′1 MBON,記憶只降到對照的約一半(皆從圖判讀)。※ 推論:DAN 本身不可缺,而 MBON 只擋住一半,表示這些 DAN 還有這顆 MBON 以外的輸入。表中「本頁四篇未提供」指這幾篇沒有自己做這類實驗(有幾篇引用了先前研究的解剖重疊),不代表沒有人做過。

四種回饋說的不是同一件事

把四篇並排,可以從四個面向看出「MBON 回頭推動 DAN」在四篇裡不是同一種主張:

因此不能把四篇合併成「MBON 會回饋到 DAN」一句話來引用。 每一條連結都要附上它在哪一格、在什麼情境下、用哪一種證據看到。

另外有三個已列入 syn-contradictions 的問題落在這條線上,本頁只引編號、不裁決:

這條線卡在哪

最容易被誤讀的一點:「活化 MBON 之後 DAN 的鈣上升」與「關掉 MBON 之後記憶受損」都不等於「MBON 在正常學習時推動了 DAN」。 前者是在取出的腦裡、沒有氣味時的人工活化,分不出直接或間接連結;後者關掉的是 MBON 的全部輸出,包括送往行為迴路的那一部分。Felsenberg 2017 的 γ2α′1 MBON 甚至是果蠅表現記憶本身所需的,關掉它時,果蠅可能根本叫不出記憶,再鞏固也就無從開始。幾篇論文的措辭也比資料強:Felsenberg 2017 的摘要說 V2「驅動」懲罰型 DAN,Ichinose 2015 的討論說 MBON-α1 介導「單突觸回饋」,Cohn 2015 的正文說 MBON 活化引出的樣式「類似真實的獎懲經驗」。引用時要回到上一節的表。

沒有人處理的缺口:

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被 29 頁連結
離體全腦製備(ex vivo brain explant) 蘑菇體區室(MB compartment) 記憶鞏固與再鞏固(memory consolidation and reconsolidation) 記憶消退(memory extinction) 以人工活化取代非制約刺激(US substitution) CsChrimson(紅光活化通道) 多巴胺神經元(dopaminergic neuron, DAN) 蘑菇體輸出神經元(mushroom body output neuron, MBON) MBON-γ2α′1(γ2α′1 輸出神經元) γ4 輸出神經元(γ4 MBON) MBON-γ5β′2a(M6;γ5 MBON) ATP 門控通道 P2X2(化學活化,chemogenetic activation) PAM-α1 多巴胺神經元(PAM-α1) PPL1-γ2α′1 多巴胺神經元(PPL1-γ2α′1, MB-MV1) R58E02 驅動品系(R58E02 driver lines) 溫度敏感型阻斷工具(shibire^ts1) TH-GAL4 與 TH+DDC 驅動(TH-GAL4 and TH/DDC drivers) 索引 日誌 Aso 2016 · dan cell type rules Cohn 2015 · coordinated neuromodulation Felsenberg 2017 · re evaluation Felsenberg 2018 · memory extinction Ichinose 2015 · reward recurrent circuit 更新履歷 矛盾、未解問題與本庫自身的不確定性 從多巴胺到突觸改變:KC 軸突怎麼讀出增強訊號 記憶怎麼被改寫:消退、再鞏固與新舊記憶並存 先後與間隔:氣味和多巴胺的時序如何決定學到什麼