?子科生物報道：為了在瞬息萬變的自然界中獲得盡可能多的生存、繁衍機會，動物進化出了關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)記憶的能力——將中性的條件刺激（conditionedstimulus，CS），與懲罰性或獎賞性的非條件刺激（unconditionedstimulus，US）關(guān)聯(lián)起來——從而實現(xiàn)趨利避害的本能。

最經(jīng)典的關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)記憶范式莫過于俄國科學(xué)家伊萬·巴甫洛夫（Ivan Pavlov；1904年諾獎得主）對狗進行的“鈴聲-食物”關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)訓(xùn)練。巴甫洛夫發(fā)現(xiàn)經(jīng)過“鈴聲-食物”關(guān)聯(lián)訓(xùn)練的狗聽到鈴聲即可預(yù)判食物的到來，從而提前分泌唾液。在他的學(xué)術(shù)著作《條件反射》一書中，巴甫洛夫?qū)懙溃骸癆 ... most essential requisite for ... a new conditioned reflex lies in a coincidence in time of ... the neutral stimulus with ... the unconditioned stimulus.”他敏銳地注意到“時間”對于訓(xùn)練效果的重要性：如果鈴聲響起一個小時后放飯，狗不能學(xué)會兩者之間的聯(lián)系；只有當(dāng)鈴聲和食物同時出現(xiàn)，狗才能夠?qū)W會二者之間的關(guān)聯(lián)。在真實情況中，鈴聲和食物之間并不是分秒不差地同時出現(xiàn)，而是有一定的時間間隔，研究者把能夠有效關(guān)聯(lián)CS和US的最大時間間隔稱為“一致性時間窗口（coincidence time window）”。雖然巴甫洛夫首次觀察并且記錄下了這一現(xiàn)象，但是他并不清楚隱藏在其背后的生物學(xué)機理。

在巴甫洛夫首次記錄“一致性時間窗口”之后的一百年中，科學(xué)家相繼在人、海兔、果蠅、蜜蜂等不同物種的學(xué)習(xí)行為中觀察到了類似現(xiàn)象，時間范圍從幾秒鐘到一分鐘不等。此外，臨床研究發(fā)現(xiàn)，一些神經(jīng)發(fā)育不良、神經(jīng)損傷或者神經(jīng)退行性疾病患者表現(xiàn)出時間認(rèn)知障礙，在巴甫洛夫式學(xué)習(xí)記憶測試中“一致性時間窗口”出現(xiàn)縮短或者延長的異常情況。異?？s短的時間窗口會導(dǎo)致動物難以學(xué)會事物之間正常的關(guān)聯(lián)；反之，異常延長的時間窗口會導(dǎo)致動物把原本不相關(guān)的事件聯(lián)系在一起。

盡管有如此多跨物種、跨疾病的現(xiàn)象描述以及相關(guān)性實驗，但針對“一致性時間窗口”本身，仍有眾多未解之謎：如1）時間窗口長度是否可調(diào)？2）它是否影響學(xué)習(xí)記憶后突觸的可塑性變化？3）它受到什么神經(jīng)環(huán)路和分子機理的調(diào)控？

2023年1月26日，北京大學(xué)/深圳灣實驗室李毓龍團隊在《神經(jīng)元》（Neuron）期刊在線發(fā)表了題為“Local 5-HT signaling bi-directionally regulates the coincidence time window for associative learning”的研究成果，以經(jīng)典的果蠅嗅覺學(xué)習(xí)記憶為范式，結(jié)合李毓龍實驗室開發(fā)的多種神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針，發(fā)現(xiàn)五羥色胺雙向調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)記憶的“一致性時間窗口”的新機理，并進一步解析了五羥色胺對突觸可塑性的調(diào)節(jié)，及其發(fā)揮功能的負(fù)反饋神經(jīng)環(huán)路。

論文截圖

在果蠅嗅覺學(xué)習(xí)記憶范式中，果蠅在“氣味-電擊”訓(xùn)練后會對特定氣味形成恐懼記憶。早在1985年Tim Tully和William Quinn等人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，隨著“氣味”和“電擊”的時間間隔增加，果蠅的學(xué)習(xí)效果逐漸變差。在此次研究中，團隊成員利用T-迷宮裝置復(fù)現(xiàn)了這個經(jīng)典實驗，通過系統(tǒng)性地改變時間間隔，測得果蠅的“一致性時間窗口”為16.9s。當(dāng)通過遺傳學(xué)手段降低五羥色胺水平時，對應(yīng)“一致性時間窗口”縮短。與之相反，通過抗抑郁藥增加五羥色胺水平時，能夠相應(yīng)地延長時間窗口。由此，研究人員發(fā)現(xiàn)“一致性時間窗口”的長短并非固定不變，而是大腦中一個能夠被五羥色胺水平雙向調(diào)節(jié)的動態(tài)變量。

學(xué)習(xí)記憶的本質(zhì)是突觸可塑性變化，經(jīng)典的電生理研究表明嗅覺學(xué)習(xí)記憶形成伴隨著蘑菇體（mushroombody，果蠅的嗅覺學(xué)習(xí)記憶中樞）中KC（Kenyon Cell）和MBON（mushroombody output neuron）之間的突觸抑制（synaptic depression）現(xiàn)象。團隊成員利用該實驗室開發(fā)的乙酰膽堿探針復(fù)現(xiàn)了這一研究結(jié)果，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)“氣味-電擊”的時間間隔延長會導(dǎo)致可塑性變化消失，測量得到的“一致性時間窗口”為14.8s，與行為學(xué)上16.9s的數(shù)據(jù)極為相近。更重要的是，人為降低或者升高五羥色胺水平同樣能改變時間窗口的長短，表明五羥色胺是通過調(diào)節(jié)突觸可塑性，從而最終影響了學(xué)習(xí)行為。

在果蠅的大腦中，每個半球有且僅有一顆五羥色胺能DPM（dorsal paired medial）神經(jīng)元投射到蘑菇體。團隊成員系統(tǒng)地解析了DPM的上下游神經(jīng)環(huán)路，發(fā)現(xiàn)KC釋放的乙酰膽堿激活DPM，而DPM釋放的五羥色胺對KC起到負(fù)反饋抑制作用。利用實驗室開發(fā)的五羥色胺探針，該論文發(fā)現(xiàn)DPM在蘑菇體不同功能區(qū)的五羥色胺釋放量并不均勻，而是呈現(xiàn)出空間特異性，五羥色胺局部水平差異賦予蘑菇體功能區(qū)不同的時間窗口。

五羥色胺能DPM神經(jīng)元在蘑菇體中形成負(fù)反饋抑制神經(jīng)環(huán)路，在突觸可塑性和嗅覺學(xué)習(xí)記憶兩個層面調(diào)節(jié)“一致性時間窗口”。（圖源：J. Zeng, et al., Neuron, 2023）

經(jīng)典的赫布理論（Hebb’s rule）將突觸的可塑性變化解釋為“Cells that fire together, wire together”。1997~1998年，這一理論被一系列經(jīng)典的電生理實驗證明，并進一步完善為脈沖時序依賴可塑性（STDP, Spike-timing-dependent plasticity）——突觸前、突觸后神經(jīng)元同時興奮會產(chǎn)生“資格痕跡（eligibility trace）”，使突觸處于能夠被改變、但尚未發(fā)生改變的狀態(tài)，等待著第三個元素出現(xiàn)；第三個元素是由神經(jīng)調(diào)制介導(dǎo)的懲罰或者獎勵信號，它的出現(xiàn)最終決定突觸可塑性變化的方向和幅度。但是這一理論并不完美，因為不清楚等待時間長短由什么元素決定。曾有科學(xué)家推論五羥色胺很有可能發(fā)揮了這一功能，此次研究通過實驗證實了這一猜想，表明五羥色胺是赫布理論中被遺漏的“時間調(diào)節(jié)因子”。

這項工作圍繞巴甫洛夫?qū)W習(xí)記憶范式中重要的“時間一致性”問題，發(fā)現(xiàn)了一個完整的神經(jīng)環(huán)路模型，揭示了神經(jīng)遞質(zhì)五羥色胺調(diào)節(jié)“時間一致性”的特殊角色，動物利用這一計時機制來判斷不同事件之間的因果關(guān)系。該研究有助于理解神經(jīng)疾病導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶障礙的病理機制，為藥物干預(yù)患者的時間認(rèn)知障礙提供新的見解。