一个拥有熟悉蓝图的小型大脑
果蝇的大脑包含不到20万个神经元。人类大脑则包含数百亿个。这种巨大的规模差距并未阻止神经科学家将这种昆虫视为一种富有成效的模型，因为果蝇大脑与其人类对应物有着惊人的相似之处——不在于大小，而在于其组织方式以及细胞之间的通信方式。
另一个优势是完整性。果蝇大脑中神经元之间的每一个连接，统称为连接组，都已被绘制出来。这份完整的接线图使研究人员能够直接研究不同类型的神经元如何相互作用以产生特定行为，这在更复杂的大脑中仍然无法实现。
该研究的资深研究员、纽约大学格罗斯曼医学院神经科学系副教授Katherine Nagel博士表示，这项工作展示了当果蝇检测到气味时，神经回路如何形成短期记忆。这种记忆使昆虫能够记住一个方向，并朝着它认为值得记住的气味移动。她补充说，尽管研究人员长期以来一直假设这种机制是工作记忆的基础，但新的实验证实了这种机制的存在，并展示了它在特定情境中如何运作。
工作记忆既需要稳定性也需要灵活性
工作记忆是每次将信息保持数秒的心理便签本。它使人能够记住安全码的几位数字足够长的时间以便输入，或者在穿过房间时记住一个方向。这一特质至关重要，但它伴随着一对相互竞争的需求。
一方面是稳定性。瞬间消失的记忆毫无用处，因此潜在的神经活动必须在有意义的时间跨度内持续。另一方面是灵活性。记住无关的细节将是巨大的能量浪费——没有人会从将一天中遇到的每个数字都记入记忆中获益。因此，一个有用的系统需要快速开启、稳定保持并干净地关闭。
一个为开启和关闭而构建的回路
这项新研究考察了神经元如何相互作用以将信息编码到工作记忆中，特别是这些相互作用如何能够持续存在，同时保持易于激活和停用。据研究人员称，答案在于回路内的一种门控机制。
一种气味解锁记忆回路
为了观察这一过程的实际运作，研究团队将果蝇暴露于强烈剂量的苹果醋中。这些昆虫朝着气味飞去，并在气味从空气中消失后继续朝那个方向飞行了数秒，表明气味的记忆在刺激本身消失后仍在引导它们的行为。
当果蝇做出反应时，研究人员监测了它们大脑中的活动。他们发现两种不同类型的神经元以相似的活动模式对气味做出反应。这种重叠的反应正是门控的特征：这两个细胞群体以某种方式相互作用，使转瞬即逝的感觉事件转化为自我维持的信号，然后被释放。
实际上，该回路并不像计算机存储文件那样存储气味。它创造了一种临时状态，使果蝇的行为产生偏向，而这种状态在完成其使命后可以被关闭。
为什么果蝇对研究人类记忆有用
果蝇作为模型的价值恰恰建立在那些容易让人忽视的特征之上。它的大脑小到可以完整追踪，但它解决的问题也是哺乳动物大脑所面临的：检测刺激、判断其是否重要、短暂保持并据此行动。
由于果蝇连接组是完整的，科学家可以识别特定的神经元类型，追踪其连接，并探究其活动对行为的贡献。因此，像这样的发现为一种已被提出数十年但很少被直接观察到的机制提供了精确、可检验的解释。
- 已确认的机制：该研究支持了长期以来关于短期记忆如何形成和维持的假设性解释。
- 回路层面的细节：两种不同的神经元类型协同工作，创建了维持记忆的门控。
- 行为证据：果蝇在气味消失后仍继续朝其飞行数秒，表明记忆在起作用。
- 模型价值：完整绘制的连接组使果蝇大脑成为检验记忆理论的实用试验场。
这些结果说明了什么，又没有说明什么
这些实验描述了一种昆虫中特定回路如何响应一种感觉输入而形成短暂记忆。类似的门的机制是否在人类多种形式的工作记忆中运作，仍是一个未解的问题，研究人员将这一结果框定为在特定情境中对某一原理的证实，而非普遍规律。
尽管如此，其底层设计因其经济性而颇具吸引力。一个能够在需要时开启记忆——并在不需要时关闭记忆——的大脑，既避免了遗忘过快的代价，也避免了记忆过多的代价。稳定性与灵活性之间的这种平衡是每个神经系统都必须解决的问题，而果蝇为其中一种解决方案提供了清晰的视角。
这项研究于10月7日在线发表在《自然》杂志上，为越来越多利用这种昆虫完整接线图将单个细胞类型与特定行为联系起来的研究增添了新内容。对于神经科学家来说，其回报是更清晰地描绘了神经门控如何将短暂的感觉输入转化为能够引导动物度过接下来几秒的记忆。
本文基于Medical Xpress的报道。阅读原文。
Originally published on medicalxpress.com
