学术快报|清华大学钟毅课题组发现一种存储事件整体信息的融合记忆

在我们每天的生活当中，记忆无时无刻不在指导着我们的行为，使我们能够做出恰当的决策。同样，对于在自然界中生存的动物来说，灵活地调用记忆当中的关键信息，对于它们在复杂的野外环境中躲避危险也至关重要。巴普洛夫差异性条件化（Pavlovian differential conditioning）是一种在神经生物学与心理学领域中广泛使用的训练方式，被用来模拟危险的经历，从而测量其产生的记忆特征的行为模型。以果蝇的惩罚性嗅觉训练为例，在一次训练往往包括三个过程：1）约100只果蝇被暴露在一种特殊气味A中，同时对他们施加电击作为惩罚，这一过程持续1分钟；2）随后将果蝇暴露在流动的空气中45秒作为休息；3）再将果蝇暴露在另外一种气味B中1分钟，但不施加电击。在这样的训练后，果蝇便会记得气味A是危险的，我们称其为条件刺激（conditioned stimulus，CS+）；而气味B是安全的，我们称其为非条件刺激（non-conditioned stimulus，CS−）。经典的衡量记忆强度的方法为，将训练过的果蝇放入一个T形迷宫中，使其在CS+和CS−之间进行选择，并根据其最终分布来得到一个定量的记忆指数。在这种方法的测量下，果蝇在一次训练后24小时便不能再在CS+和CS−之间进行区分，即分布约为50:50，因此果蝇经历过一次嗅觉惩罚训练后形成的记忆被认为只能够维持1天。然而，这种迫使果蝇在CS+和CS−之间做选择的测量方法却忽略了果蝇对于CS+和CS−的直接反应。

        为了衡量果蝇在训练后对于CS+和CS−的趋向性是否发生了改变，研究者们重新设计了记忆的测量方法。取而代之的是，训练后的果蝇在CS+与新气味之间进行选择，以及在CS−与新气味之间进行选择。这样，原本仅能维持1天的记忆曲线被拆分为了两条分别对于CS+和CS−的逃避曲线。出乎意料的是，训练后的果蝇对CS+与CS−呈现出了两条几乎对称的逃避曲线：果蝇对于CS+在训练结束初期的逃避程度很高，不过随之在1天内快速下降；然而，它们在训练结束后最初表现为对CS−的喜欢，随着时间过去喜欢变成了逃避。并且最终，在训练结束后的1天内，两条逃避曲线逐渐融合，果蝇最终呈现出了对CS+和CS−相同程度的逃避，并且这种逃避可以维持超过7天。也正是由于果蝇对CS+和CS−有着同等程度的厌恶，使得它们无法在二者之间做出选择。

        那么为什么经历过危险事件的果蝇会逐渐对事件中的危险信号（CS+）和安全信号（CS−）都产生厌恶的情绪呢？研究者们的进一步实验表明，这是由于差异性条件化训练使果蝇产生了一种融合的长时程记忆（merged long-term memory，mLTM）。这种融合的记忆将整个嗅觉惩罚训练作为一个整体，存储为一个危险的事件经历。这样，任何一种在危险事件当中曾经经历过的感官刺激，包括CS+和CS−都可以使果蝇回想起这一危险经历，从而驱使果蝇逃避这两种气味。利用行为学、热遗传学、以及在体钙信号记录等手段，研究者们发现这一融合记忆的形成依赖于电击惩罚所激活的后外侧成对多巴胺神经元簇1（paired posterior lateral 1 dopaminergic neurons，PPL1 DANs）减弱果蝇嗅觉记忆中枢蘑菇体（mushroom body，MB）中的αβ肯扬细胞（αβ Kenyon cells，αβ KCs）与蘑菇体输出神经元的α2sc簇（α2sc mushroom body output neurons，α2sc MBONs）之间的突触连接来进行编码。此外，这种融合记忆的巩固还需要依赖于新蛋白质合成的、维持数小时的记忆固化过程。

        这样，在刚刚经历过危险事件后不久，动物的行为主要由短期维持的辨别记忆（discriminative memory）来主导，从而促使动物对于危险信号与安全信号来进行区分；而在经历过危险事件很久以后，动物则会选择一种基于融合记忆的更加保守的生存策略：它们对所有曾经出现在危险事件当中的感觉信息都进行逃避，从而避免自然界中潜在的危险。

       此研究工作于2021年7月19日在线发表在《eLife》杂志。清华-IDG/麦戈文脑科学研究院、清华大学生命学院钟毅教授为本文通讯作者，钟毅课题组博士生赵博涵和孙佳孟为本文的共同第一作者。钟毅课题组助理研究员李乾博士为本项研究做出了重要贡献。本研究获得了国家自然科学基金和清华-北大生命科学联合中心的经费支持。