根據英國和美國科學家的團隊研究，果蠅（果蠅屬）從不良經歷中學習的看似複雜現象已被簡化為僅12個神經元的作用。科學家透過雷射操縱這組細胞，能夠欺騙蒼蠅，使其對實際上並未經歷過的事件產生聯想記憶。
蒼蠅從氣味和環境中的其他訊號中學習。例如，透過電擊進行條件反射，可以教會它們避開某些氣味。
先前的實驗表明，果蠅大腦中稱為蘑菇體的結構對於儲存這些記憶至關重要，但這些記憶的儲存機制尚未得到很好的理解。
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為了研究這種機制，由牛津大學的格羅·米森伯克領導的團隊利用了“光遺傳學”，這是一種使用光來啟用特定細胞型別的技術，這些細胞型別經過基因工程改造以表達光敏蛋白。當雷射脈衝擊中大腦時，表達光敏蛋白的細胞會被啟用。“這就像向城市傳送無線電訊號，但只有那些裝有調到正確頻率的收音機的房屋才會收到訊號，”米森伯克說。
光的工作
先前的研究表明，多巴胺參與形成負面聯想，例如與應避免的氣味相關聯，因此米森伯克的團隊使不同的多巴胺能細胞簇對光敏感。然後對蒼蠅進行訓練：當它們進入某種氣流——甲基環己醇 (MCH) 時——雷射被開啟，多巴胺能細胞被啟用。
該實驗與電擊療法一樣有效——蒼蠅學會了避開 MCH。記憶直接寫入大腦，無需感官輸入。雖然不可能知道，但米森伯克懷疑蒼蠅是否會像觸電一樣感到疼痛。“我認為這可能比那更抽象，”他說。
今天在《Cell1》雜誌上報道的驚喜是，當他們切開蒼蠅的大腦並發現——在分析的幾十只蒼蠅中——只有 12 個神經元負責訓練效果。“這 12 個神經元指向蘑菇體中假定的記憶儲存位點，”米森伯克說。
“這是一項里程碑式的研究，非常聰明，”臺灣新竹國立清華大學的果蠅神經科學家蔣安世說。“我們早就知道多巴胺能細胞充當形成記憶的刺激物，但我們已經等待很長時間才弄清楚是哪些細胞。”
更重要的是，其中一些神經元直接指向中央複合體，這是一個與視覺記憶有關的大腦區域。米森伯克說，同一組神經元也可能解釋負面視覺聯想的形成。“這是有道理的。當你的大腦告訴你你做錯了什麼，你應該改變你的行為時，它不應該在意它使用哪種感官來獲取資訊。”
愛它或恨它
米森伯克的下一個目標是找出該資訊上游的內容，看看該訊號是如何到達這 12 個神經元的。研究人員可以利用這條通路來預測即將到來的獎勵或懲罰。
蔣安世同意這是下一步，他說更好的成像技術可以實現這一目標。《細胞》雜誌的圖片顯示了神經元如何聚集在蘑菇體周圍，但無法看到單個神經元，蔣安世說。“我真正想知道的是這些神經元中的哪一個參與其中。它可能是 12 個神經元的一個較小子集。我還想看到連線的特定形態——樹突的走向，”他說。蔣安世說，這種精確度將有助於重建記憶如何形成的整個迴路。
米森伯克說，這種程度的解析度不太可能在小鼠或其他動物身上實現，因為較大動物的大腦有更多的神經元，而且果蠅大腦的遺傳學已經得到了更詳細的繪製。“從數字上看，機會對你不利，”他說。
但這項研究確實與今年早些時候的一份報告相呼應，該報告中科學家使用光遺傳學技術來訓練小鼠。與果蠅不同，小鼠對釋放的多巴胺有積極反應，因此與蒼蠅一樣，沒有教它們不喜歡某些東西（負強化），而是教小鼠更喜歡某些東西（正強化）——在這種情況下，是某個位置。
儘管存在差異，米森伯克說，基本通路的許多方面可能在進化上是保守的，因此對果蠅的研究將教會我們很多關於人腦如何學習的知識。