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
- 蘑菇體裡的三種神經元: 蘑菇體(mushroom body)是果蠅腦中把氣味和好壞連起來的構造。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)送來懲罰或獎賞的訊號,改變 KC→MBON 接點(突觸,synapse)的強弱;學習改變的就是這些接點。見 e-kenyon-cell、e-mbon、e-dopaminergic-neuron。
- 軸突與樹突: 一顆神經元有兩種分枝。樹突是接收訊號的一端,軸突是把訊號送出去的一端(本頁也稱「輸出端」)。
- 區室(compartment): KC 的長軸突成束排成幾條「葉」,葉沿長度切成一格一格。每格由一型 DAN 支配(DAN 的軸突伸進這一格放出多巴胺)、一型 MBON 讀取(MBON 的樹突伸進這一格接收 KC 的訊號),名字取自位置,例如 γ1pedc、α1、γ5。名稱串起兩段的(例如 γ2α′1),依命名方式應是一型細胞橫跨 γ2 與 α′1 兩格(※ 推論)。同一個氣味可以在不同格各留一筆記錄。見 c-mb-compartment。
- PAM 與 PPL1: 兩群 DAN 的名字。三篇論文都把 PAM 群當作送「獎賞」、PPL1 群當作送「懲罰」(Felsenberg 2018 的說法較保守:兩群裡「有許多」分別是這樣)。細胞名稱寫成「群名-區室」,例如 PPL1-γ1pedc 是支配 γ1pedc 格的 PPL1 型 DAN,PAM-α1 是支配 α1 格的 PAM 型 DAN。
- 增強訊號(reinforcement): 懲罰或獎賞的統稱,在這裡就是糖或電擊。
- 嫌惡與獎賞記憶: 嫌惡(aversive)記憶是讓果蠅想躲開某個氣味的記憶,例如電擊造成的;獎賞(appetitive)記憶是讓果蠅想靠近的記憶,例如糖造成的。「嫌惡學習」就是形成嫌惡記憶的學習。
- CS+ 與 CS−: CS 是條件刺激(conditioned stimulus),在這裡都是氣味。訓練時配了糖或電擊的氣味叫 CS+,沒配的另一個氣味叫 CS−,當比較的基準。
- 鞏固(consolidation): 剛學會的記憶在之後一段時間裡逐漸變穩定的過程。見 c-memory-consolidation。
- 消退(extinction): 學會之後,再讓動物聞 CS+ 卻不給糖或電擊,原本學到的偏好或躲避就減弱。見 c-memory-extinction。
- 再鞏固(reconsolidation): 已穩定的記憶被叫出來時,會暫時變得不穩定,過一段時間才重新存好。在這段期間干擾它,記憶就可能消失。Felsenberg 2017 用「把果蠅放在冰上麻醉 2 分鐘(冷休克)會不會讓記憶消失」來判斷記憶當下穩不穩定。
- 驅動品系: 一種基因工具,是帶有特定基因開關的果蠅品系,用來決定外加的蛋白質只裝在哪幾型神經元上。名字是代號,例如 R58E02、MB504B(見 e-split-gal4)。阻斷或活化某群神經元,都要靠驅動品系把工具裝到那群細胞上。
- 阻斷與活化: 阻斷是讓某群神經元暫時送不出訊號。兩篇 Felsenberg 用溫度開關 shibirets1(見 e-shibire-ts):帶著它的神經元在升溫時送不出訊號,降溫後恢復。活化則是讓神經元放電;Aso 2016 用照紅光就會放電的蛋白質 CsChrimson(見 e-cschrimson),以光代替真的糖或電擊(見 c-us-substitution)。阻斷回答「少了它行不行」,活化回答「單靠它夠不夠」。
- 分數: 三篇都讓一群果蠅在兩個氣味間選邊,大致以「選甲的隻數減選乙的隻數,再除以總隻數」算出一個分數(表現指數,見 c-performance-index;Felsenberg 2017 沒寫公式)。所以分數介於 −1 與 +1 之間,0 表示沒有偏好,全部選同一邊是 ±1;本頁引用的分數多在 0.1 到 0.7 之間。三篇的正負號約定不同,本頁把方向統一,寫成「躲避分數」或「偏好分數」:越大表示越躲或越喜歡,負值表示反方向(例如躲避分數為負,就是反而偏向那個氣味)。
- ※ 推論: 本庫的標記,表示這一句是本庫依據論文內容推出來的,論文沒有明說。
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:
- 阻斷只擋住一部分。 Felsenberg 2017 阻斷 PPL1 後再聞 CS+,留下的偏好約為「沒有消退時」的 45–57%(兩個數字來自兩個不同的 PPL1 驅動品系;本庫以論文長條圖的柱高相除,論文沒有算);阻斷 V2 群也只擋住一部分。逐一阻斷 PPL1 群裡的單一型,都擋不住消退,所以到底是哪幾型 DAN 寫下這筆新記憶,仍未確定。
- 阻斷的範圍比「教學訊號」廣。 Felsenberg 2018 阻斷的是 PAM 群的一大部分,不只 γ5;「是 γ5 那幾顆在教」是從離體(ex vivo,把腦取出來泡在養液裡)活化實驗拼起來的。作者也想在學習後的活果蠅上看到 γ5 神經元對氣味反應變大,但這群神經元自己不停起伏,蓋過了氣味引起的訊號,沒有量到(論文未附資料)。
- 阻斷的時段比正文說的長。 Felsenberg 2018 正文說阻斷只限於再聞氣味的期間,協定圖上的升溫卻持續約 40–45 分鐘,從訓練後不久就開始。所以 PAM 也可能是在再聞氣味之前、訓練剛結束的那段時間起作用。※ 推論:若是如此,阻斷擋住的未必是消退的教學訊號,也可能是訓練剛結束時的其他過程。要排除這個可能,需要一組「同樣升溫、但不再聞氣味」的對照:若這組記憶照常,就表示單是升溫阻斷不影響記憶。M4β′/M6 那組實驗有這個對照,PAM 那一組沒有。
- 「新記憶帶著相反的價值」在 2017 那篇沒有被直接驗證。 它的依據只是「消退需要報懲罰的 PPL1」。在 2017 的測驗裡,「新增一筆相反的記憶」與「舊記憶本身被削弱」都表現為偏好歸零,分不出來。能把兩者分開的實驗在 2018 那篇,見下一節。
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:
- MVP2: 推動「靠近」,樹突在 γ1pedc 格(也就是 PPL1-γ1pedc 管的那一格)。它會抑制下面兩顆。
- M4β′ 與 M6: 推動「走開」。M4β′ 的樹突在 β′2 格,M6 的樹突在 γ5 格。論文引用的先前研究指出,糖獎賞學習會讓 KC 送到這兩顆的訊號變弱,與懲罰讓 KC 送到 MVP2 的訊號變弱剛好對稱。
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:
- 消退本身只是部分的。 行為上,消退只消掉三分之一到一半的躲避(以「沒有消退」為基準,約 36–49%)。作者的解釋是:嫌惡學習改了好幾條路(MVP2 等),消退只改了 KC→M6 這一處(沒有改 KC→M4β′),所以只能抵消一部分;這個解釋沒有被檢驗。
- 「相抵」是「量不到顯著差別」,不是「量到兩者相等」。 論文的統計只比較同一組果蠅對 CS+ 與 CS− 的反應,沒有直接比較「只訓練」與「訓練後消退」兩組。作者自己的用詞強弱不一:摘要寫 neutralizes(抵消),圖 6 圖說寫 nullifies(歸零),模型圖說則寫 partially compensates(部分補償)。資料(不顯著,加上行為只部分消退)較接近最後一種。
- M6 樹突上的新差別,分不出是 CS+ 變小還是 CS− 變大。 作者的模型假設是 CS+ 變小。從圖上讀,差別看起來反而主要來自 CS− 較高;但「只訓練」與「消退」兩組是不同的果蠅,跨組的數值不能直接比,論文也沒有做能分辨兩者的檢定。
- 「舊痕跡還在」是從反應的樣子判斷的。 作者自己保留一句:MVP2 的 CS+/CS− 差別在消退後看起來和只訓練時一樣,但不能確定底下是同一個沒被改動過的突觸機制。
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:
- 只記最新的 vs 新舊並存。 這裡的「一組配對」是一個配光的氣味加一個不配光的對照氣味。先後學兩組配對時,用 PPL1-γ1pedc 訓練的果蠅只記得後學的那一組:第一組的分數在只學第一組時約 0.5,接著再學第二組之後掉到約 0.12,論文稱「記憶容量為一」。用 PAM-α1 訓練的果蠅兩組都記得:第一組的分數在只學第一組時與再學第二組之後都約 0.27,差異不顯著;第二組約 0.3。論文稱容量「至少為二」。
- 怕不怕被抹。 訓練後只叫醒 DAN、不給氣味,γ1pedc 的記憶剩約三成,α1 的記憶幾乎沒掉。這項比較是同一群果蠅先測一次、處理後再測一次,再算後者除以前者:α1 的比值約 0.9,γ1pedc 用同一算法約 0.33,與前文的「剩約三成」相當。這項實驗同樣做了 6 組中的 5 組,α1 是其中唯一沒有顯著減弱的一組。
- 反過來配對時。 先讓果蠅學會對氣味 A 的記憶,再反過來改讓氣味 B 配光,最後在 A 與 B 之間二選一。這種測驗的分數是「對 B 的新記憶」減去「對 A 還剩的舊記憶」:若舊記憶完整保留、新記憶也一樣強,兩者相抵,分數應接近 0。
- γ1pedc(懲罰):第一次測驗躲 A 的分數約 0.7;反過來配對後,躲 B 的淨分數約 0.5,接近第一次的大小。※ 推論(本庫 Aso 2016 來源頁的推理,論文沒有明寫):淨分數遠離 0,表示躲 A 的舊記憶大多已被削弱。
- α1(獎賞):第一次測驗喜歡 A 的分數約 0.35;反過來配對後,喜歡 B 的淨分數只剩約 0.10,接近 0。這可以是新記憶學不起來,也可以是舊記憶還在、與新記憶相抵。作者採後者,並以「容量至少為二」支持這個解釋。
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:
- 為什麼一個「沒配糖」的氣味會留下痕跡。 本庫整理的突觸規則,都是「與 DAN 配對的氣味,那一格的突觸變弱或變強」(見 t-timing-rules、c-kc-mbon-plasticity)。CS− 在訓練時從沒與糖配對,現有規則涵蓋不了它,本庫列為空缺 syn-contradictions 3.7。
- 為什麼保住一筆獎賞記憶,需要一型報懲罰的 DAN。 論文沒有解釋。
※ 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:
- 消退是部分的。 Felsenberg 2018 只消掉三分之一到一半的躲避;Aso 2016 的「幾乎完全消除」實際剩約三成。Felsenberg 2017 的消退倒是接近歸零,而且好幾組的分數落到 0 以下,也就是果蠅反過來偏向 CS−。作者的模型說新記憶「剛好抵銷」舊記憶,預測的是歸零;若低於 0 是真的,表示新寫的那筆可能比舊的還強。這些負值是否顯著低於 0,論文沒有檢定也沒有討論。
- 「預測誤差」沒有被量。 Felsenberg 2017 摘要說記憶的重新評估「由獎賞預測誤差驅動」(預測誤差:預期與實際經驗的差距)。但論文的操作只有兩種:聞 CS+(作者解讀為誤差大)與聞 CS−(作者解讀為誤差小)。誤差大小沒有被量化,也沒有被逐級改變。比較穩妥的讀法是:「聞到哪一個氣味」決定了走消退還是再鞏固,「誤差大小」是作者的解釋。
- 連結的證據在取出的腦裡。 「MBON 叫醒 DAN」的直接證據,兩篇 Felsenberg 都來自取出的腦、沒有氣味、樣本數小(Felsenberg 2018 的 γ5 反應是 5 個腦)。Felsenberg 2017 的 V2 群活化後,三顆 PPL1 細胞一顆變活躍、一顆變安靜、一顆沒有顯著變化,摘要卻寫成 V2「驅動」懲罰 DAN。
- 缺表與缺補充資料。 Felsenberg 2018 的各組樣本數、檢定與 p 值全在表 S1,表 S1 不在本庫取得的 PDF 裡。Felsenberg 2017 的補充資料與原始數據本庫也沒有取得。Aso 2016 的補充圖只有標題,其他品系的時間曲線與飢餓條件都查不到。
- 條件差很多。 Felsenberg 2017 消退的是訓練後 3 小時、已鞏固的獎賞記憶;Felsenberg 2018 消退的是訓練後 30 分鐘的嫌惡記憶,作者自陳只研究了訓練後不久的消退,並引用文獻說較晚做的消退可能用到不同的 DAN 與突觸。Aso 2016 用光代替真的增強訊號,三組品系一次活化兩型 DAN。
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:
- 自發恢復沒有被同一套設計測過。 若舊記憶真的還在,消退後過一段時間,偏好或躲避應該會自己回來。Felsenberg 2017 在 24 小時內沒有看到;Felsenberg 2018 沒有測,只在討論中引用文獻,說恢復與否取決於消退做得多晚。
- 抹除還是相抵,在 γ1pedc 上沒有生理量測。 Aso 2016 的「只叫醒 DAN 讓記憶減弱」需要在 γ1pedc 格的 MBON 上直接量;Felsenberg 2018 量了同一顆 MBON(MVP2),但用的是另一種操作。
- 教學訊號來自哪幾型 DAN。 兩篇 Felsenberg 都只能阻斷整群或大部分的 DAN,個別型別的阻斷都擋不住消退;γ5 沒有專屬的品系可以單獨操作。
- 再鞏固是否需要製造新的蛋白質。 Felsenberg 2017 引用的一篇先前研究,標題說已鞏固的記憶不受阻斷蛋白質合成的藥物影響,記憶被叫出來、進入再鞏固時才會受影響。所以「再活化後給這種藥,記憶是否受損」是判斷再鞏固的另一種標準;Felsenberg 2017 沒有做。
- CS− 的反應為何變大(syn-contradictions 3.7),以及 Felsenberg 2018 聞 CS− 時阻斷 M4β′/M6 的怪結果,都沒有解釋。
- 時間規則與改寫規則的接點。 Felsenberg 2018 的教學訊號由 CS+ 經 MBON 觸發,所以多巴胺必然在氣味開始之後才到。※ 推論:t-timing-rules 整理的規則之一(來自 Handler 2019 在 γ4 格的量測)是:多巴胺與氣味同時或稍晚到達時,那一格的突觸變弱。照這條規則,這種順序應讓 KC→M6 的突觸變弱,與 M6 上看到的方向一致;但沒有人量過消退時氣味與 γ5 DAN 活動的時間差。
- 「只叫醒 DAN」在突觸上做了什麼。 Aso 2016 的「只叫醒 DAN、不給氣味」,是多巴胺與氣味離得很遠的一種情況(稱為未配對)。庫內另有兩篇在突觸上量過未配對的多巴胺,答案不同,本庫列為待裁決的矛盾(syn-contradictions 1.3):Cohn 2015 說多巴胺與氣味相隔 45 秒以上時,γ4 格的突觸變強;Handler 2019 說相隔 6 秒(它測過最長的間隔)時突觸幾乎不變。問題在於「離得遠」到底讓突觸變強還是不變;兩篇的間隔與實驗條件都不同,所以本庫只並列、不判斷哪一篇對。Aso 2016 的處理是在訓練後幾分鐘、完全沒有氣味時叫醒 DAN,※ 推論:比較接近「離得很遠」的一端。※ 推論:若未配對的多巴胺讓突觸變強,它就可能把學習時造成的變弱抵回去,符合 Aso 作者「抹除」的讀法;若突觸不變,記憶減弱就需要別的解釋。這一步沒有人測過。
相關
- s-felsenberg-2018-memory-extinction — 電擊記憶的消退需要報獎賞的 PAM;舊痕跡(MVP2)在消退後仍在,新痕跡寫在 M6,兩者在 M6 相抵
- s-felsenberg-2017-re-evaluation — 糖記憶的消退需要報懲罰的 PPL1;聞 CS− 觸發再鞏固,需要 PPL1-γ2α′1、γ2α′1 MBON 與事後的 PAM
- s-aso-2016-dan-cell-type-rules — 只叫醒 DAN 就能削弱記憶;γ1pedc 只記最新一組,α1 抵抗削弱、新舊並存
- s-ichinose-2015-reward-recurrent-circuit — 背景:長期記憶需要訓練後 1 小時內的 PAM-α1 迴路
- s-cohn-2015-coordinated-neuromodulation — Aso 2016 用它的 γ4 成像資料支持「抹除」的解讀
- 主題:t-mbon-dan-feedback(教學訊號從哪條迴路來)、t-timing-rules、t-dopamine-to-plasticity
- 概念:c-memory-extinction、c-memory-consolidation、c-mb-compartment、c-kc-mbon-plasticity、c-performance-index、c-us-substitution
- 實體:e-dopaminergic-neuron、e-mbon、e-kenyon-cell、e-mushroom-body、e-shibire-ts、e-r58e02、e-mb504b、e-t-maze、e-cschrimson、e-gcamp、e-split-gal4、e-olfactory-arena
- 矛盾與空缺:syn-contradictions 1.3(未配對的多巴胺)、1.5(R58E02 的標記範圍)、3.7(CS− 反應變大)
- 待開頁面:
c-cold-shock-anaesthesia、c-reward-prediction-error、c-parallel-memories、c-feedforward-inhibition、c-spontaneous-recovery、e-pam-cluster、e-ppl1-cluster - 其他相關參考頁:c-presynaptic-calcium、c-spaced-training、e-mbon-gamma1pedc、e-mbon-gamma2alpha1、e-mbon-gamma5beta2a、e-pam-alpha1、e-ppl1-gamma1pedc、e-ppl1-gamma2alpha1
KC→MBON 突觸可塑性(KC-MBON synaptic plasticity) 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) 表現指數(performance index, P.I.) 突觸前末梢的鈣(presynaptic calcium) 間隔與集中訓練(spaced and massed training) 多巴胺神經元(dopaminergic neuron, DAN) MB504B 驅動品系(MB504B split-GAL4) 蘑菇體輸出神經元(mushroom body output neuron, MBON) MBON-γ1pedc(MVP2) MBON-γ2α′1(γ2α′1 輸出神經元) MBON-γ5β′2a(M6;γ5 MBON) 四象限光遺傳嗅覺競技場(optogenetic olfactory arena) PAM-α1 多巴胺神經元(PAM-α1) PPL1-γ1pedc 多巴胺神經元(PPL1-γ1pedc, MB-MP1) 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) T 迷宮(T-maze) 索引 日誌 Aso 2016 · dan cell type rules 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 輸出神經元回頭指揮多巴胺神經元:MBON→DAN 回饋迴路 先後與間隔:氣味和多巴胺的時序如何決定學到什麼