Neuron：揭开百年之谜！北京大学李毓龙团队发现五羟色胺调节关联学习记忆的时间窗口

条件刺激（CS）与非条件刺激（US）的重合是联想学习的必要条件；然而，调节这一时间窗口持续时间的机制尚不清楚。

2023年1月26日，北京大学李毓龙团队在Neuron 在线发表题为“Local 5-HT signaling bi-directionally regulates the coincidence time window for associative learning”的研究论文，该研究表明局部5-HT信号双向调节联想学习的一致性时间窗口。该研究发现5-羟色胺(5-HT)双向调控果蝇嗅觉学习的一致性时间窗口，并影响蘑菇体(MB)凯尼恩细胞(Kenyon cells， KCs)的突触可塑性。

利用基于GPCR激活(GRAB)的神经递质传感器，该研究发现KC释放的乙酰胆碱(ACh)激活了5-羟色胺能背侧配对内侧(DPM)神经元，从而向KCs提供抑制反馈。生理刺激诱导空间异质性5-HT信号，按比例门出不同MB区室的内在一致性时间窗口。人为减少或增加DPM神经元释放的5-HT分别缩短或延长重合窗口。在一个连续的微量条件反射范式中，5-羟色胺能神经调节有助于弥合CS-US的时间差距。总之，该研究报告了一个感知时间巧合和确定环境事件之间因果关系的模型回路。

最经典的关联学习记忆范式莫过于俄国科学家伊万·巴甫洛夫（Ivan Pavlov；1904年诺奖得主）对狗进行的“铃声-食物”关联学习训练。巴甫洛夫发现经过“铃声-食物”关联训练的狗听到铃声即可预判食物的到来，从而提前分泌唾液。在巴甫洛夫条件下成功建立关联的前提是，CS和US的刺激间间隔(ISI)必须落在一个相对较短的一致性时间窗口内。这种时间上的重合存在于广泛的物种中，包括人类的眨眼任务、海兔的虹吸反射以及苍蝇和蜜蜂的嗅觉或视觉联想学习。重要的是，移位的一致性时间窗口在脑损伤和心理疾病中已被报道。因此，阐明一致性时间窗口的机制将为大脑如何估计两个时间离散事件之间的关系提供有价值的见解，并为大脑疾病如何影响联想学习提供新的线索。

果蝇因其嗅觉学习范式的鲁棒性和嗅觉学习中心蘑菇体（MB）的遗传可驯服性而成为研究联想学习机制的经典模式生物。为了通过将气味(CS)和电击(US)配对来引发厌恶的嗅觉记忆，这两种刺激必须遵循特定的顺序(气味后电击)，并在一致性时间窗口内到达，这是几十秒的顺序。据报道，多巴胺(DA)受体通过不同的下游级联施加输入顺序要求。然而，控制一致性时间窗口长度的特定分子和回路仍然不清楚，尽管许多研究试图通过进行行为和功能成像实验来解决这一机制。

机理模式图（图源自Neuron ）

在每个半球的MB中，有2000个凯尼恩细胞(KCs)将它们的轴突捆成三个叶，称为α/β、α’/β’和γ叶，每个叶进一步分割为5个隔室。脑室作为一个解剖和功能单元，在这里投射神经元介导的嗅觉信号(CS)和多巴胺能神经元(DAN)介导的电击信号(US)汇聚在KCs上，KCs释放乙酰胆碱(ACh)来激活MB输出神经元(MBONs)。除了DA和ACh，MB微回路还协调其他神经调节剂来实现复杂学习过程的特殊功能。据报道，只有一个DPM神经元支配三个MB叶参与嗅觉学习。然而，关于DPM神经元释放5-HT的体内动力学及其上游调控和下游功能，目前所知甚少。

该研究发现果蝇嗅觉学习和突触可塑性变化的一致性时间窗口是由DPM神经元释放的5-HT连贯调节的。在基于gpcr激活(GRAB)的ACh和5-HT传感器(GRABACh3.0和GRAB5-HT1.0，以下分别称为ACh3.0和5-HT1.0)中观察到气味和电击反应中5-HT的室区异构释放。该研究还确定了DPM神经元和KCs之间的相互连接，其中DPM神经元被KCs激活，并反过来向KCs提供抑制性反馈。这种5-HT能DPM神经元介导的反馈回路塑造了不同MB区室的内在时间窗口，并提高了痕迹条件反射范式下的学习性能。

北京大学生命科学学院教授/深圳湾实验室分子生理学研究所合作研究员李毓龙、深圳湾实验室分子生理学研究所博士后曾健智为共同通讯作者，曾健智博士和北京大学生命科学学院博士研究生李雪霖为共同第一作者，张任子墨、吕明月博士、王艺潘、谭柯、夏西聚、万金霞博士、张修宁、李瑜等对文章做了重要贡献。该工作得到了北京脑科学与类脑研究中心井淼团队、中科院生物物理所李岩团队（杨扬）、中科院深圳先进技术研究院储军团队（王亮）的通力合作。研究的支持来自北京大学膜生物学国家重点实验室、北大-清华生命科学联合中心、深圳湾实验室、国家自然科学基金、北京市科委、峰基金、Clement & Xinxin Foundation和中国博士后科学基金。

原始出处：

Jianzhi Zeng， et al. Local 5-HT signaling bi-directionally regulates the coincidence time window for associative learning. Neuron， January 26， 2023.