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記憶怎麼被改寫:消退、再鞏固與新舊記憶並存

果蠅學會「這個氣味代表糖」或「這個氣味代表電擊」之後,若再聞到它卻沒有糖或電擊,記憶會變弱。本庫三篇主要論文(下文介紹,另有一篇提供背景)問的是同一件事:變弱的原因,是舊記憶被擦掉了,還是另外寫下一筆方向相反的新記憶把它蓋過去?三篇用的操作不同、看的區室不同,答案也不一樣。

想像你記得某條巷子的早餐店蛋餅很好吃,後來連去兩次都撲空。你可以把「這家好吃」那筆記錄劃掉,也可以保留它,旁邊加註「最近常撲空」。從外面看,兩種做法的結果一樣:你不再特地繞去那條巷子。差別要等到下一次才看得出來。如果某天又吃到一次好蛋餅,加註的人很快就會回到「這家好吃」,劃掉的人得從頭學起。

這頁整理的就是這個差別在果蠅腦裡怎麼被量出來。s-felsenberg-2017-re-evaluation 處理糖獎賞的記憶,s-felsenberg-2018-memory-extinction 處理電擊懲罰的記憶,兩篇是同一團隊、方向相反的一對實驗。s-aso-2016-dan-cell-type-rules 不用真的糖或電擊,而是直接用光叫醒單一型多巴胺神經元,比較蘑菇體不同位置改寫記憶的規則。s-ichinose-2015-reward-recurrent-circuit 提供背景:剛學會的記憶要經過一段時間才會穩定。

讀這一頁需要的幾個詞

所以這條線要回答的是三個問題:誰在教「該來的沒來」?舊的那筆記錄還在不在?記憶被叫出來的那段時間,又發生了什麼?

誰在教「該來的沒來」:一組鏡像

直覺的猜法是:消退就是讓當初寫入記憶的那群 DAN 把改過的突觸改回去。兩篇 Felsenberg 的結果都不支持這個猜法,而且兩篇剛好互為鏡像。

糖的記憶,由報懲罰的神經元來消退。 Felsenberg 2017 讓餓了一天左右的果蠅先聞 CS− 2 分鐘,隔 30 秒,再聞 CS+ 2 分鐘並給糖。訓練後 3 小時,讓果蠅聞兩次 CS+、每次 2 分鐘、間隔 15 分鐘,都不給糖。到訓練後 6 小時測驗,對 CS+ 的偏好從約 0.3 掉到約 0,而且到訓練後 24 小時都沒有回來。在聞 CS+ 的那段時間阻斷 PPL1 群(報懲罰),偏好就不太會消失;阻斷 PAM 群(報獎賞)則沒有影響。作者據此提出:「預期有糖卻沒有」被記成一筆壞事。

電擊的記憶,由報獎賞的神經元來消退。 Felsenberg 2018 讓果蠅聞 CS+ 1 分鐘、同時電 12 下,再聞 CS− 1 分鐘不電。訓練後 30 分鐘讓果蠅聞兩次 CS+、不電,訓練後 60 分鐘測驗。這時阻斷的結果正好反過來:阻斷 PAM 群(用 e-r58e02 品系),消退就不見了;阻斷 PPL1 群(用 e-mb504b 品系),消退照常。作者據此說:「該來的懲罰沒來」被記成一件好事。

兩篇合起來的圖像是:消退不是讓同一群 DAN 倒帶,而是由價值相反的另一群 DAN 寫下一筆新的教學訊號。 Felsenberg 2018 的討論把兩篇並列,提出「形成一筆價值相反、互相競爭的記憶」可能是消退的通則。

那麼沒有糖、也沒有電擊,相反的教學訊號從哪裡來?兩篇的答案都是:從輸出神經元回頭叫醒 DAN。Felsenberg 2017 找到 α 與 α′ 葉上的一群 MBON(V2 群)是消退所需;Felsenberg 2018 找到兩顆推動「走開」的 MBON(M4β′ 與 M6),它們在取出的腦裡被光活化時,會叫醒管 γ5 格的 PAM 神經元。這條「MBON → DAN」的回饋迴路是另一條主題,見 t-mbon-dan-feedback;本頁只需要知道,教學訊號是網路自己產生的。

這組鏡像的證據有幾個缺口:

舊的那筆還在嗎

電擊記憶的消退:舊痕跡留著,新痕跡寫在別格

Felsenberg 2018 在活的果蠅頭上開一個小窗,用遇到鈣就變亮的螢光蛋白(GCaMP,見 e-gcamp)看三顆 MBON 對氣味的反應。神經元活動時細胞內的鈣會升高,所以螢光越亮代表反應越大。三顆 MBON 是:

只訓練、不消退時,MVP2 對 CS+ 的反應比對 CS− 小。這是嫌惡記憶的痕跡:懲罰讓 KC 送到「靠近」那一顆的 CS+ 訊號變弱。訓練後再消退,MVP2 的這個差別仍然在。同時,M6 的樹突上新出現了「CS+ 反應比 CS− 小」的差別。這和果蠅學會「這個氣味有糖」時 M6 的變化方向相同(見上面對 M4β′ 與 M6 的說明),所以作者把消退記憶視為一筆獎賞記憶。M4β′ 的樹突則在消退後沒有變化。

兩筆記錄在哪裡相抵?M6 左右腦各一顆。作者在 M6 上量了兩個位置:接收 KC 訊號的樹突,以及把訊號送出去的軸突(輸出端)。MVP2 會抑制 M6,而作者用電子顯微鏡找到,MVP2 的接點落在 M6 樹突的根部附近,也就是樹突收集的訊號匯流、要往軸突送出去的那個關口。樹突上量到的是匯流之前的訊號,所以 MVP2 在關口的抑制只有在輸出端量得到,在樹突上量不到。

嫌惡學習讓 MVP2 對 CS+ 變安靜,等於鬆開了 M6 的煞車,所以只訓練時,M6 輸出端對 CS+ 的反應比 CS− 大,樹突上則看不出差別。消退則在 M6 的樹突上把 CS+ 的輸入調弱,等於收小油門。一邊鬆煞車(舊記憶)、一邊收油門(新記憶),兩者在 M6 這顆神經元裡相加。消退後,M6 輸出端的 CS+/CS− 差別就量不出顯著差異了。MVP2 也抑制 M4β′,所以只訓練時,M4β′ 的輸出端同樣是 CS+ 反應較大;但 M4β′ 的樹突在消退後沒有變化,沒有新的一筆來抵消,這個差別在消退後仍在。

另一個實驗也指向「舊記憶沒被擦掉」。作者在消退之後再做一次「CS+ 配電擊」的訓練,並在這次再訓練後 90 分鐘測驗,比較三組果蠅:

組別 再訓練後 90 分鐘的躲避分數(從圖判讀)
訓練、消退、再訓練 約 0.52
訓練、再訓練(沒有消退) 約 0.51
只有再訓練(等於只學一次) 約 0.29

學過兩次的兩組都比只學一次的那組記得牢。若第一次訓練留下的東西被消退擦掉了,「訓練、消退、再訓練」那組應該接近只學一次的那組(約 0.29);實測卻與沒有消退的那組一樣。這正是導言裡「加註」那種做法的預測:第一次的記錄還在,第二次訓練疊加上去。

這組結果要附四個條件:

只叫醒多巴胺神經元:記憶本身被削弱

Aso 2016 做的是另一種操作。它先在果蠅聞一個氣味時同時照光、活化 PPL1-γ1pedc,讓果蠅學會躲這個氣味;幾分鐘後,在沒有氣味的情況下再用光叫醒同一型 DAN 一次。躲避就大幅減弱:只等待、不處理的那一組,躲避分數約 0.65,這一組只剩約 0.2,也就是剩約三成(從圖判讀)。正文寫「幾乎完全消除」,比圖上的資料強。

作者對這個減弱的解釋是「最可能」是記憶被抹除,也就是 MBON 對氣味的反應恢復原狀。但這個說法的依據是另一篇論文(s-cohn-2015-coordinated-neuromodulation)在另一格(γ4)的成像資料;Aso 2016 本身全部是行為實驗,對 γ1pedc 沒有任何生理量測。所以另一種讀法,這篇也排除不了:DAN 單獨放電另寫一筆相反的記憶、與原記憶相抵。※ 推論:這種讀法並非憑空而來。Aso 2016 自己的時間實驗顯示,同一型 DAN 若比氣味早 20–60 秒放電,果蠅反而學會喜歡那個氣味(見 t-timing-rules);可見這型 DAN 在氣味不在場時放電,也可能寫下方向相反的一筆。

這和 Felsenberg 2018 的「舊痕跡還在」並不衝突,因為兩者改的是不同的東西:

學會之後給什麼 不給什麼 舊記憶的下場
Felsenberg 2018(電擊記憶) 氣味(CS+) 電擊 MVP2(γ1pedc 格)的痕跡仍在;新痕跡寫在 M6(γ5 格)
Aso 2016(光活化 γ1pedc 的記憶) 叫醒 DAN 氣味 躲避剩約三成;是抹除還是相抵,分不出來

Aso 2016 也測了和消退比較接近的操作:訓練後只讓果蠅聞兩種氣味、不給光。Aso 2016 共比較 6 組驅動品系,每組用光活化不同格的一或兩型 DAN(見下一節);這項實驗做了其中 5 組。用 γ1pedc 訓練的記憶只略為減弱(躲避分數約 0.60 → 0.44),前後差異不顯著;其餘 4 組中有 3 組顯著減弱。所以「只聞氣味讓記憶減弱多少」也因格而異,而 γ1pedc 屬於減弱較少的。※ 推論:γ1pedc 的記憶在「只給氣味」時沒有顯著減弱,方向上與 Felsenberg 2018「消退後 MVP2 的痕跡仍在」一致。但兩者的操作不同:Aso 讓果蠅聞兩種氣味,Felsenberg 只讓果蠅聞 CS+;訓練方式(光 vs 真的電擊)、裝置與時間也都不同,所以這只是並列。

每一格的改寫規則不同

Aso 2016 的貢獻在於指出:「記憶會不會被改寫、怎麼被改寫」不是整個蘑菇體一套規則,而是每一格各有一套。它比較了 6 組驅動品系(每組活化一或兩型 DAN;γ1pedc 與 α1 兩組各只活化一型),其中對比最清楚的是 γ1pedc 與 α1:

作者把 α1 的特殊性和一條回饋迴路連起來:α1 格的輸出神經元 MBON-α1 會把軸突的末端送回 PAM-α1 的樹突旁邊(引 Ichinose 2015)。但作者沒有說明這條迴路如何讓記憶抵抗削弱,本篇也沒有檢驗;迴路本身見 t-mbon-dan-feedback。

同一個氣味可以同時被記成好與壞。 Aso 2016 同時叫醒 γ1pedc(懲罰)與 α1(獎賞),配同一個氣味。剛訓練完,果蠅強烈躲這個氣味,躲避程度與只叫醒 γ1pedc 時分不出差異;一天後果蠅反而喜歡它(偏好分數約 0.27),因為 γ1pedc 那份很快消失,α1 那份留得久。

這與 Felsenberg 2018「兩筆相反的記憶寫在不同格、並存並競爭」是同一種圖像,只是方式不同:Aso 的兩筆是同時寫的,Felsenberg 的兩筆是先後寫的。Felsenberg 2018 的討論也引用另一項研究,說果蠅用「加了苦味的糖」訓練時會同時形成兩筆相反的記憶。

兩筆記錄如何合成行為,Aso 的資料顯示不是簡單相加。剛訓練完時,只叫醒 γ1pedc 的躲避分數約 0.47,只叫醒 α1 的偏好分數約 0.33;若一好一壞簡單相抵,同時叫醒兩者應只剩約 0.14 的躲避,實測卻約 0.38(本庫依論文數字自算),論文沒有對這個「相抵值」做檢定。

把這幾點放在一起,一個粗略的圖像是:有的格(γ1pedc)像一張只記最近一次的便條,新經驗一來就改寫;有的格(α1)像一本會累積的帳簿,新舊並存。 但這個圖像有兩個限制。第一,它來自用光活化 DAN 的實驗,不是真的糖或電擊。第二,「容量」只比了這兩個品系、各兩組氣味,摘要卻把「儲存容量」列為各區室「廣泛差異」之一。

記憶被叫出來時:再鞏固

背景:剛學會的記憶要一段時間才穩定

Ichinose 2015 提供了「鞏固需要時間」的一個例子。果蠅一次吃到糖、配一個氣味,24 小時後還記得。訓練一結束就把 PAM-α1、MBON-α1 或 α/β 類 KC(KC 依軸突走哪幾條葉分成幾類,α/β 類的軸突走 α 葉與 β 葉,會經過 α1 格)任何一種阻斷 1 小時,24 小時的記憶就變差;等到訓練後 22 小時才阻斷 1 小時,就沒有影響。另一方面,只在訓練時阻斷這些細胞,5 分鐘的記憶沒有顯著變差,24 小時的記憶卻變差。也就是說,這條迴路負責的是長期記憶的形成與存檔,不是短期記憶。所以訓練後的頭一個小時,是這筆長期記憶還在「存檔」的窗口。

Felsenberg 2017 的引言給了另一種量法:糖獎賞的記憶在訓練後數小時內逐漸鞏固,表現為記憶越來越不怕冷休克(引用先前的研究)。

聞 CS−:記憶被翻出來,再存回去

Felsenberg 2017 最意外的結果來自 CS−。訓練後 3 小時讓果蠅聞兩次 CS−(本來就沒配糖的那個氣味),偏好照樣保持。但這時記憶變得怕冷:聞完 CS− 後立刻或 30 分鐘時冷休克,6 小時的偏好就沒了。聞完 90 分鐘後才冷休克,偏好回到未冷休克組的約六成(約 0.26 對 0.42),差異沒有達到顯著。沒有再聞氣味的果蠅,被冰一下並不受影響。訓練後 21 小時才聞 CS−,也同樣會讓記憶變得怕冷。

作者據此說,聞 CS− 會讓穩定的記憶重新進入一段不穩定期,大約 90 分鐘後重新存好。「90 分鐘時已恢復」要讀成「不再顯著不同」;分數只回到約六成,再鞏固可能還沒完全結束。

這段不穩定期需要哪些神經元?作者在不同時段阻斷不同的神經元,看 6 小時的偏好。阻斷後偏好消失,表示記憶在不穩定期沒能重新存好,所以被阻斷的神經元是「把記憶存回去」所需。結果是一個有時間分工的組合:

神經元 什麼時候需要 阻斷組的偏好分數(括號內為兩個對照組)
PPL1-γ2α′1(一型報懲罰的 DAN,論文用舊名 MB-MV1) 聞 CS− 的當下 當下阻斷約 0.02(0.21、0.30);聞完之後才阻斷約 0.20(0.30、0.255),與對照差異未達顯著
γ2α′1 格的 MBON 聞 CS− 的當下 當下阻斷約 0.12(0.25、0.265),約剩一半
PAM 群(報獎賞) 聞完 CS− 之後立刻 立刻阻斷約 0.005(0.24、0.27);90 分鐘後才阻斷約 0.155(0.195、0.245),與對照差異未達顯著

分數都是訓練後 6 小時對 CS+ 的偏好。兩個對照組各只帶一半的工具:一組只有驅動品系,一組只有 shibirets1 基因,所以升溫時不會被阻斷。

作者也排除了一種替代解釋:阻斷 PPL1-γ2α′1 之後偏好消失,可能是果蠅忘了 CS+ 有糖,也可能是果蠅變得也喜歡 CS−。改讓果蠅在 CS+ 與一個從沒聞過的新氣味之間選,偏好照樣沒了(分數約 0),所以失去的是 CS+ 的記憶本身。這個檢查只做在 PPL1-γ2α′1 這一個操作上。

作者在取出的腦裡用光活化 γ2α′1 格的 MBON,同一格的 PPL1-γ2α′1,以及支配其他格的 PAM,都被強烈活化(PAM 的反應是在 γ5 格量的)。作者的模型是:訓練讓 γ2α′1 格的 MBON 對 CS− 變得比較敏感;再聞到 CS− 時,它叫醒同一格的 PPL1-γ2α′1 與其他格報獎賞的 PAM,PAM 在之後一段時間把原本的獎賞記憶重新寫一次。支持「變得比較敏感」的是在活果蠅上的成像:糖獎賞訓練後 3 小時,這顆 MBON 對 CS− 的反應比只聞氣味、沒給糖的對照組大約 14% 與 24%(作者把兩種訓練氣味輪流當 CS+,兩種輪法各得一個值;本庫以柱高相除),對 CS+ 則沒有變。

這裡有兩個沒解開的結:

※ 推論:Ichinose 2015 的「訓練後 1 小時內需要 PAM-α1」與 Felsenberg 2017 的「聞完 CS− 後立刻需要 PAM、90 分鐘後不需要」,形狀相似,都是「事件之後的一段時間裡需要獎賞 DAN 持續出力」。但 Felsenberg 2017 阻斷 PAM 用的品系 e-r58e02 會作用到 13 型 PAM(含 α1),前述離體成像只量了 γ5 格,沒有指認是哪一型在出力;兩篇的時間窗是否由同一群細胞負責,沒有人測過。

2018 那篇的一個怪結果

Felsenberg 2018 也有一個與 CS− 有關的結果,論文只用「出乎意料」(unexpectedly)一詞帶過。在聞 CS− 的期間阻斷 M4β′ 與 M6,果蠅對 CS+ 的躲避就完全消失(躲避分數約 −0.05,即不但不躲,還略偏向 CS+;兩個對照的躲避分數約 0.29 與 0.32);不再聞氣味、只升溫阻斷,則不影響記憶。※ 推論:「聞 CS− 時阻斷某群神經元,記憶就沒了」的形狀,與 Felsenberg 2017 的再鞏固相似。但 2018 那篇的記憶才 30 分鐘大,不一定已經鞏固;論文全文沒有用「再鞏固」解釋這個結果(搜尋 reconsolidat,只出現在參考文獻的標題)。這個怪結果也讓同一張圖的另一半,也就是「再聞 CS+ 時阻斷 M4β′/M6」那幾組,變得難解。

判斷有沒有消退,是拿「再聞 CS+」那組去比「再聞 CS−」那組:CS− 不會引發消退,所以它是基準,「再聞 CS+」那組躲得比基準少,才算有消退。四組的躲避分數如下(從圖判讀):

再聞 CS+ 再聞 CS−(基準)
對照組(兩組) 約 0.10 約 0.29、0.32
阻斷 M4β′/M6 約 0.24 約 −0.05

作者看的是左欄:阻斷組再聞 CS+ 後躲得比對照多,所以說消退被削弱了。但在阻斷組裡,基準組(右欄)自己先變了,完全不躲,於是「再聞 CS+」反而比基準躲得多。阻斷顯然還有與消退無關的效果,所以「消退被削弱」這個解讀不能照單全收。

證據有多硬

三篇的資料都支持一個定性的結論:記憶被改寫時,蘑菇體不只動一處,而是在不同格、由不同群 DAN 各自記一筆。 但每一篇的措辭都比資料強一些,引用時要附條件:

這條線卡在哪

最容易被誤讀的一點:「消退=寫一筆新記憶,舊記憶還在」只在一個情境被直接看到。 那是 Felsenberg 2018:電擊記憶、訓練後 30 分鐘、在 MVP2 與 M6 兩顆神經元上量到,而且只比較了同一組果蠅對 CS+ 與 CS− 的反應,沒有跨組比較。到了糖獎賞的記憶(Felsenberg 2017),這仍是一個提議,依據只是「消退需要報懲罰的 DAN」。而 Aso 2016 在只叫醒 DAN 時看到的減弱,作者反而傾向「抹除」。三篇的操作不同,不能拿任何一篇的結論去概括其他兩篇。

沒有人處理的缺口:

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