果蝇蘑菇体神经环路介导高阶联想学习的功能解析及其反馈机制研究

这篇研究通过气味条件反射实验和计算建模，揭示了果蝇(Drosophila)蘑菇体(MB)中并行处理气味信息的神经环路架构，发现其通过兴奋性和抑制性反馈回路使气味获得对多巴胺能(DAN) valence-signaling系统的控制能力，首次阐明了支持联想链式学习的高阶条件反射神经机制。

　　

果蝇大脑中的高阶联想学习密码

亮点发现
研究团队在果蝇中鉴定出负责厌恶型二阶条件反射的神经环路，证明果蝇能通过嗅觉三阶条件反射形成联想链。蘑菇体(MB)环路中存在循环反馈回路支持高阶学习，气味刺激可调控多巴胺能(DAN) valence-signaling系统。

研究背景
联想学习是动物认知的基础能力，从巴甫洛夫的经典条件反射到高阶条件反射，神经机制始终是未解之谜。果蝇凭借其约10万个神经元的精简大脑和丰富遗传工具，成为解析学习记忆神经回路的理想模型。蘑菇体作为昆虫的学习中枢，其γ1区室在厌恶学习中起关键作用，但高阶学习的环路机制尚不清楚。

蘑菇体关键神经元的作用
通过温度敏感型shibire^ts阻断突触传递，发现γ叶和α′/β′叶的肯扬细胞(KC)输出对二阶学习至关重要。具体而言：

• γ叶KC输出在二阶训练和记忆检索阶段必需
• α′/β′叶KC仅需在二阶训练阶段参与
• α/β叶KC全程非必需

特定输出神经元的功能
使用split-Gal4系统精确定位发现：

• MBON-γ1pedc>α/β（抑制性GABA能神经元）在训练和测试阶段必需
• MBON-α′2（兴奋性胆碱能神经元）仅在二阶训练阶段必需
• 其他MBONs均非必需

多巴胺能神经元的调控机制
惩罚信号由PPL1簇DANs传递：

• PPL1-γ1pedc和PPL1-γ2α′1 DANs在一阶训练中必需
• 仅PPL1-γ1pedc在二阶训练中必需
• PAM簇DANs不参与
  通过GRASP和电镜重建发现PPL1-γ2α′1 DAN存在跨区室投射，同时支配γ2/α′1和α′2区室。

突触可塑性的双向调控
双光子钙成像揭示：

• 一阶训练后MBON-γ1pedc>α/β突触抑制
• 二阶训练后MBON-α′2突触增强
• 乙酰胆碱传感器证实KC-MBON突触存在预突触增强
  这种双向可塑性使学习后的气味能调控DAN活动。

反馈环路的运作机制
光遗传激活实验显示：

• MBON-α′2兴奋PPL1-γ1pedc DAN
• MBON-γ1pedc>α/β抑制同一DAN
  计算模型揭示还存在MBON-β2β′2a对MBON-α′2的抑制通路，形成稳定调控网络。

高阶学习的延伸验证
实验证明果蝇能完成三阶条件反射，记忆强度随训练次数呈倒U型变化，符合联想学习理论预测。这种层级式学习能力显示果蝇可构建复杂联想链。

研究意义
该工作首次完整描绘了支持高阶学习的神经环路图谱，揭示蘑菇体通过跨区室的多巴胺能投射和双向突触可塑性，实现从初级强化到次级强化的信息传递。发现的反馈调节机制为理解复杂学习提供了新范式，其保守性对哺乳动物学习研究具有重要启示。