果蠅學習與長期記憶的神經迴路

一篇於今年2月發表於Nature Communication的文章，提出了果蠅經由學習並形成長期記憶的神經迴路。

在先前的研究中，研究人員已經知道求偶行為的學習與MB (Mushroom Body)有關，而學習後的睡眠會在學習行動結束後1至3小時，vFBs (ventral Fan-Shaped Body neurons)會活化，產生學習後的睡眠並有助於長期記憶的固化。那研究人員是如何驗證果蠅的學習與長期記憶呢？

研究人員將實驗的公果蠅與交配過的母果蠅放在一起，交配過的母果蠅約在24小時內不會接受其他公果蠅的求偶，因此實驗公果蠅的求偶行為註定會失敗。實驗時間從0到6小時，在此期間公果蠅會不間斷的向母果蠅發出求偶，但母果蠅總是拒絕，之後將公果蠅與母果蠅分開一段時間，重新將那隻公果蠅分別與已交配的與未交配的母果蠅放在一起，觀察那隻公果蠅求偶是否會避開已交配的母果蠅，藉此判斷果蠅的學習與記憶是否有成效。另外，研究人員確認經過長時間的求偶行為後，產生睡眠的行為不是因為太過疲憊，而是與學習記憶有關，多巴胺受體DopR1突變後，求偶6小時的公果蠅不會產生睡眠需求，但也不會記住求偶失敗的經驗。

實驗發現，長時間(約4小時以上)的學習會活化vFBs，而短時間(少於2小時)學習則不會。同時研究者也認為dFBs(ventral Fan-Shaped Body neurons)與vFBs沒有直接連接或上下游關係，dFBs與生理時鐘的睡眠有關，而vFBs與學習後睡眠有關，兩者應為不同的睡眠調控系統。

前面提到MB與求偶行為學習有關，因此研究人員觀察MB輸出神經(MBON, Mushroom Body Output Neurons)的活性，他們發現興奮性的神經MBONs-γ2α’1的活性與學習時間的長短相關，學習時間越長時間，學習結束後1~2小時會產生越強的反應。另一方面，短時間學習會活化抑制性神經MBONs-β’2mp，但長時間學習則不會。最後經由鈣離子影像確認SFSs匯整兩種拮抗MBONs訊號並在興奮性MBONs-γ2α’1訊號較強、抑制性MBONs-β’2mp訊號較弱時活化vFBs。

附圖整合了以上的結果並繪製出神經迴路，這項研究提供一套果蠅新睡眠調控系統，有別於由dFBs調控的生理時鐘睡眠，vFBs調控由學習引發的睡眠並有助於長期記憶的形成。未來的研究或許在更複雜的人腦中，能找到類似的機制。

撰文：張誌元

參考資料：

Lei, Z., Henderson, K. & Keleman, K. A neural circuit linking learning and sleep in Drosophila long-term memory. Nat Commun 13, 609 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-28256-1