近日，由Janelia研究園區和劍橋大學等合作在Nature Neuroscience發表了題為“Recurrent architecture for adaptive regulation of learning in the insect brain”的研究論文，
重構了果蠅磨菇體多巴胺神經元的控制體系，並用計算建模來預測反饋控制的作用，提示了先前記憶對於後來學習的影響。
圖源：New York Magazine
想要在不斷變化的環境中生存，動物不僅要知道什麼是危險的，什麼是有利於生存的，還要及時地更新這些認知。很多研究都試圖探索動物是如何認為某一信息是aversive還是appetitive。
獎賞或懲罰偶聯學習記憶是可以不斷更新的，根據強化學習理論，學習由多巴胺能神經元主導的預測誤差驅動。但這個系統是如何通過反饋調節，不斷適應新的獎賞厭惡記憶，仍是一個難題。
蘑菇體是果蠅學習記憶的中心，其中富含以多巴胺神經元為代表的調節性神經元。蘑菇體傳入神經元包含外界刺激信息，傳出神經元則包含學習結果信息。本文利用大規模電鏡環路製圖技術(large-scale electron microscopy circuit mapping)，系統重構了果蠅幼蟲中所有通過突觸前調節控制蘑菇體的神經元。作者發現這些神經元大多接受蘑菇體的反饋調節，包括一步反饋和兩步反饋。
接著，作者通過光遺傳激活和中性氣味配對，找到了編碼aversive信息的調節性神經元，通過重建找到了它們的感覺傳入通路。此外作者還利用神經遞質表徵，從功能上驗證了以往確定的連接結構。當用光激活膽鹼能反饋神經元時，可以形成和激活aversive調節性神經元時類似的氣味厭惡記憶，而激活穀氨酸能和穀氨酸能反饋神經元則相反。
最後，作者發現多巴胺調節性神經元可以比較其接收的aversive和appetitive的收斂反饋信號，帶來了計算預測的可能性。因此作者利用重構的連接組，相關神經遞質數據和神經元功能數據建立了一個蘑菇體調節性神經元的模型，模擬了其在不同學習任務中的表現。無論何種反饋調節在模型中被刪去時，簡單偶聯的學習和需要更新記憶的學習能力都受損。
該研究構建了具有突觸分辨率的蘑菇體傳入神經元連接組，通過建模展示了控制調節性神經元的反饋電路改變了其中多巴胺神經元的活性和動物的模擬學習結果，為理解先前的學習如何調節後面的學習提供了基礎，在環路水平上開拓了改善未來學習的方法。
文章信息：
Eschbach, C., Fushiki, A., Winding, M. et al. Recurrent architecture for adaptive regulation of learning in the insect brain. Nat Neurosci (2020). https://doi.org/10.1038/s41593-020-0607-9
作者信息
編譯作者： 小魚乾（brainnews創作團隊）
校審： Simon（brainnews編輯部）
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