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
- 蘑菇體(mushroom body)、KC、MBON、DAN: 蘑菇體是果蠅腦中把氣味和好壞經驗連起來的構造。Kenyon 細胞(Kenyon cell, KC)代表氣味,每種氣味只活化其中一小群。輸出神經元(MB output neuron, MBON)接收 KC 的訊號,推動果蠅「靠近」或「走開」。多巴胺神經元(dopaminergic neuron, DAN)放出多巴胺,代表懲罰或獎賞。見 e-kenyon-cell、e-mbon、e-dopaminergic-neuron。
- 突觸、KC→MBON 突觸: 突觸(synapse)是神經元之間傳訊號的接點。多巴胺讓某些 KC→MBON 突觸變強或變弱,這就是學習(見 c-kc-mbon-plasticity)。
- 區室(compartment): KC 的軸突(往外送訊號的長纖維)成束排成幾條「葉」,葉沿長度切成一格一格。每格由一型 DAN 支配(DAN 的末梢伸進這一格),由一型 MBON 讀取(MBON 的樹突,也就是收訊號的分枝,伸進這一格)。細胞以所在的格命名,例如 MBON-α1、PAM-γ5;名字串起兩格的(如 γ2α′1),表示它橫跨兩格(見 c-mb-compartment)。
- PAM 與 PPL1: 兩群 DAN 的名稱。本頁四篇都把 PAM 群當成主要傳遞獎賞、PPL1 群當成主要傳遞懲罰。
- 兩群 DAN 各配哪一種 MBON: 依 Felsenberg 2017 與 2018 的整理,PPL1 支配的格裡,MBON 多半推動「靠近」;PAM 支配的格裡,MBON 多半推動「走開」。所以懲罰讓「靠近」那一格的突觸變弱,靠近的力量小了,果蠅就比較想躲;獎賞讓「走開」那一格的突觸變弱,走開的力量小了,果蠅就比較想去。
- 垂直葉與水平葉: 依 Felsenberg 2017 的示意,α、α′ 葉是垂直方向的葉,β、β′、γ 葉是水平方向的葉。PPL1 主要支配垂直葉(另有 γ 葉根部的 γ1、γ2),PAM 主要支配水平葉。
- 回饋(feedback): 本頁指 MBON 的活動改變 DAN 的活動。若 MBON 與 DAN 在同一格,叫同格回饋;若 MBON 影響的是別格的 DAN,叫跨格回饋(影響的是緊鄰的格時,本頁寫「鄰格」,也算跨格)。
- 教學訊號(teaching signal): DAN 送出、告訴某一格的 KC→MBON 突觸「該改了」的那陣多巴胺。本頁問的是:在沒有糖、沒有電擊的時候,是什麼讓 DAN 送出教學訊號。
- 順向配對: 氣味先開始、多巴胺後到。本庫其他論文量到,順向配對通常讓那一格的 KC→MBON 突觸變弱(見 t-timing-rules)。
- 直接與間接: 直接(單突觸)是 MBON 的末梢接在 DAN 上;間接(多突觸)是中間還隔著別的神經元。「活化 A 之後 B 有反應」不能分辨這兩種情況。
- 品系: 經過基因改造、只讓某幾型神經元帶上外加工具(例如溫度開關或螢光蛋白)的果蠅系,以代號稱呼,例如 R58E02、MB504B。說某品系「標」某型細胞,就是工具只出現在那型細胞裡;一個品系標到的細胞越多,實驗結果就越難歸給其中某一型。
- 阻斷與活化: 阻斷是用溫度開關 shibire^ts(見 e-shibire-ts)在選定的時段關掉某群神經元的輸出,回答「少了它行不行」。活化是用外加的通道讓神經元放電:P2X2(遇 ATP 打開,見 e-p2x2)、CsChrimson(照紅光打開,見 e-cschrimson)、dTrpA1(遇熱打開),回答「它動起來會造成什麼」。
- 離體與活體: 離體(ex vivo)是把腦取出、泡在養液裡做實驗,沒有氣味、沒有行為(見 c-ex-vivo-explant);活體(in vivo)是果蠅活著、頭部固定、打開小窗看腦。
- 鈣成像: 神經元活動時細胞內的鈣會升高;GCaMP 是遇鈣變亮的螢光蛋白,螢光變亮代表那顆細胞在活動(見 e-gcamp)。讀數 ΔF/F₀ 是螢光比基線多出的比例。
- 長期記憶、鞏固、消退、再鞏固: 長期記憶是一天後還在的記憶;鞏固是剛學到的東西在之後數小時內變穩定的過程(見 c-memory-consolidation)。消退是學過「氣味預告某事」之後,再聞到氣味而那件事沒發生,原本的反應就減弱(見 c-memory-extinction)。再鞏固是被叫出來的記憶先變得不穩定、一段時間後再存回去。這三件事在行為上怎麼表現,見 t-memory-updating;本頁只談其中的回饋迴路。
- CS+、CS−: 訓練時與糖(或電擊)一起出現的氣味是 CS+,另一個沒配的氣味是 CS−。
- 來源頁: 本庫為每篇論文寫的一頁詳細閱讀筆記(連結以
s-開頭)。本頁從圖上估讀的數字、論文自身前後不一致之處,細節都記在那裡。 - ※ 推論、?待查: 本庫的標記。前者表示本庫依論文內容推出、論文沒有明說;後者表示需要其他資料才能確認,刻意不填。
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:
- 只在訓練時關掉 PAM-α1、MBON-α1 或軸突經過 α1 的那一類 KC(α/β KC),24 小時記憶變差,5 分鐘記憶的下降在統計上不顯著。關掉 PAM-α1 那組,24 小時記憶只剩對照的約 18%(從圖判讀後計算)。
- 訓練一結束就關掉三者之一 1 小時,24 小時記憶也變差;等到訓練後 22 小時才關 1 小時,就沒有影響。
- 讓 PAM-α1 少掉一種麩胺酸受體(NMDA 受體),24 小時記憶變差,5 分鐘記憶不受影響。
- 不給糖,只在聞氣味的 1 分鐘裡用 dTrpA1 活化 MBON-α1,果蠅隔天偏好那個氣味。這篇的行為分數叫學習指數:0 代表沒學到,正值越大代表越多果蠅選了被訓練的氣味。活化組約 0.15。這類實驗的工具要由兩個部分湊齊才會作用(一部分決定在哪型細胞、一部分是 dTrpA1 本身),兩組對照各只帶其中一部分,MBON-α1 不會被活化,學習指數約 −0.05 與 0.00(皆從圖判讀),等於沒學到。同一篇其他實驗裡,用真的糖訓練、沒有關掉任何細胞的果蠅,24 小時記憶多在 0.3–0.45,所以活化 MBON-α1 的效果約為真糖的三分之一到一半。
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:
- 關掉 MBON-α1,關掉的是它送往所有目標的輸出,不只是送回 PAM-α1 的那一支;同篇另一組實驗只在記憶測驗時關掉細胞:關掉 MBON-α1 會讓果蠅讀不出記憶,關掉 PAM-α1 則不會,所以 MBON-α1 讀出記憶時用的是 PAM-α1 以外的下游。既然有別的下游,訓練時關掉 MBON-α1 造成的傷害,也可能經由那些下游,不一定經由 PAM-α1。
- PAM-α1 需要 NMDA 受體,但它的樹突也伸到 MBON-α1 碰不到的腦區,那些受體收的麩胺酸不一定來自 MBON-α1。
- 「活化 MBON-α1 同時關掉 PAM-α1」這個把兩端接起來的實驗沒有做。
- 作者在討論中寫這個突觸連結「仍待生理學證明」,同一篇稍後又寫成確定的單突觸回饋;本庫的來源頁把這記為論文自身前後不一致。
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)。
- 在取出的腦裡同時用光活化這兩顆,γ5 格的 PAM 末梢鈣反應約 +1.75 ΔF/F₀(5 個腦),γ4 格的沒有顯著反應,β′2 格的只有輕微下降(皆從圖判讀)。
- 在重新聞 CS+ 時關掉這兩顆,消退變弱。判斷有沒有消退,要拿「重新聞 CS+」那組去比「重新聞 CS−」那組(CS− 不會引起消退,當作基準)。但在被關掉的果蠅裡,基準組自己先變了:重新聞 CS− 時關掉這兩顆,果蠅反而完全不躲 CS+。作者只說「出乎意料」,沒有解釋;關掉這兩顆顯然還有與消退無關的效果,所以「關掉就擋住消退」的解讀不能照單全收。
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:
- 作用的時機不同。 Ichinose 2015 的迴圈在訓練當下與之後 1 小時內作用,是持續的;Felsenberg 2017、2018 的回饋在「重新聞到氣味」那一刻被觸發;Cohn 2015 的 DAN 樣式隨行為狀態隨時起伏,MBON 回饋是其中的一個輸入。
- 正負號不同。 Ichinose 2015 的回饋是同價值的放大:獎賞記憶的讀者回頭加強獎賞訊號。Felsenberg 兩篇的消退回饋是反價值的修正:推動某一方向的 MBON,叫醒傳遞相反價值的 DAN。Felsenberg 2017 的再鞏固則兩者都有:同一顆 MBON 同時叫醒懲罰型與獎賞型 DAN。Cohn 2015 的回饋有升有降,沒有單一的正負號。
- 驅動回饋的東西不同。 Ichinose 2015 假設驅動迴圈的是新寫下的 CS+ 痕跡;Felsenberg 2017 的再鞏固由 CS− 反應變大驅動;兩篇消退由「網路被學習調歪」驅動;Cohn 2015 沒有說回饋由什麼驅動,只說 DAN 網路把狀態與 MBON 回饋整合在一起。
- 證據的種類不同。 見上一節的表:Ichinose 2015 有解剖與行為、沒有生理;Cohn 2015 有生理、沒有行為;Felsenberg 兩篇有離體生理與行為阻斷,但活體的關鍵一環量不到。
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:
- 3.6: Ichinose 2015 的模型需要配對之後 CS+ 仍能驅動 MBON-α1 去興奮 PAM-α1;而本庫另兩篇在其他格量到順向配對讓 KC→MBON 突觸變弱。若 α1 也是如此,回饋應該變小而不是放大。α1 的突觸在配對後怎麼變,沒有人量過。
- 3.7: Felsenberg 2017 的再鞏固靠 γ2α′1 MBON 對 CS− 的反應變大,而 CS− 從未與糖配對;本庫整理的突觸規則(與多巴胺配對的氣味,該格突觸變弱或變強)只處理與 DAN 配對的氣味,涵蓋不了這個變化。
- 1.5: Felsenberg 2017 用來看 PAM 反應的 R58E02-LexA 品系(用 R58E02 同一段 DNA 序列做成、改用另一套 LexA 開關系統的版本),該篇說它標 13 型 PAM,Handler 2019(本庫另一篇來源,研究時序規則)的基因型表則寫只標 γ4–5 的 DAN(見 e-r58e02)。這影響「γ2α′1 MBON 叫醒了哪些 PAM」的解讀;該篇只在 γ5 格量了反應。
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:
- 活體的教學訊號沒有被量到。 四篇沒有一篇在活的果蠅做相關行為時,看到 DAN 被 MBON 推動。Felsenberg 2018 試過,被 γ5 DAN 的自發起伏擋住;Felsenberg 2017 在訓練後量到 V2 與 PPL1 的反應沒有變。
- 直接連結沒有被確認。 本頁四篇的來源頁記錄的電子顯微鏡追蹤,只涵蓋 Felsenberg 2018 的 MVP2 與 M4β′、M6 之間的接點,不包括任何 MBON 到 DAN 的接點。
- 上下游沒有接在同一個實驗裡。 例如「活化 MBON-α1,同時關掉 PAM-α1」沒有做。「只關掉 γ5 的 PAM」也沒有做:Felsenberg 2018 的阻斷用的品系涵蓋 PAM 群的一大部分,作者說缺少能把 γ5 的 8 到 21 顆 DAN 再細分的遺傳工具。
- 回饋讓突觸往哪個方向改,只有間接推論。 Ichinose 2015 沒有量 α1 的突觸(見 3.6)。※ 推論:Felsenberg 2018 的教學訊號由 CS+ 經 MBON 觸發,多巴胺必然在氣味開始之後到達,依 t-timing-rules 整理的規則屬於順向配對,應讓 KC→M6 變弱,與該篇看到的方向一致;但該篇沒有量氣味與 γ5 DAN 活動的時間差。Ichinose 2015 的「氣味不在時延長的多巴胺」則與配對學習的規則有張力:那條規則說,只有正在被氣味活化的 KC,它的突觸才會被多巴胺改寫,所以學到的東西只針對那個氣味;Ichinose 2015 卻假設沒有活動的 KC 也被改了(見 t-dopamine-to-plasticity 與 Ichinose 2015 來源頁第五節第 7 條),論文用的是「可能」,屬假說。
- 只看了少數幾格。 四篇合起來只涉及 α1、γ 葉的 γ2–γ5、V2 所在的 α 與 α′ 葉幾格、γ2α′1、β′2 與 γ5。其他格的 MBON 是否回頭推動 DAN、推動誰,庫內沒有資料。
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- 概念:c-mb-compartment、c-kc-mbon-plasticity、c-memory-consolidation、c-memory-extinction、c-ex-vivo-explant、c-us-substitution
- 實體:e-pam-alpha1、e-mbon-gamma2alpha1、e-ppl1-gamma2alpha1、e-mbon-gamma5beta2a(M6)、e-mbon-gamma1pedc(MVP2)、e-mbon、e-dopaminergic-neuron、e-kenyon-cell、e-mushroom-body、e-shibire-ts、e-p2x2、e-r58e02、e-mb504b、e-cschrimson、e-gcamp
- 矛盾與空缺:syn-contradictions(1.5、3.6、3.7);數字:numbers
- 待開頁面:
c-mbon-dan-feedback、c-memory-reconsolidation、c-dan-network、c-behavioral-state、c-feedforward-inhibition、c-reward-prediction-error、e-mbon-alpha1、e-mbon-v2-cluster、e-vt1211、e-dtrpa1、e-nmda-receptor - 其他相關參考頁:e-mbon-gamma4、e-th-gal4
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