學習與天性共用的神經迴路與相異的分子機制

氣味對於生物而言帶著重要的化學訊息，如香蕉對果蠅就具有無法抗拒的吸引力。過去幾十年的研究中，科學家們嘗試將果蠅大腦不同腦區做出功能性上的區隔，譬如在側角葉(lateral horn, LH)是負責果蠅對氣味天性的好惡，而在蕈狀體(mushroom body, MB)則是負責學習。然而這樣的區隔在近年逐漸被發現並不完全正確，兩個腦區各自都會和記憶以及天性好惡有影響。更有趣的是在同樣的神經元迴路，天性和學習在果蠅飢餓的狀態下走了不同的分子機制，造成同樣的迴路對於氣味有增加和減弱兩種截然不同的結果，本研究是由來自佛羅里達大學的Ronald Davis教授團隊發表於Cell Report。

多巴胺(dopamine)是生物學習所需要的重要的獎懲分子，在果蠅蕈狀體中也扮演著至關重要的角色。參與本次研究的神經元總共有三個─上游的多巴胺神經元、蕈狀體的肯揚細胞(Kenyon cell, KC)、以及下游的蕈狀體輸出神經元(MBON)。作者利用多個分子偵測工具─包含鈣離子的螢光偵測分子、乙烯膽鹼(Acetylcholine, Ach)偵測分子等，觀測多巴胺分子是如何調控下游KC所分泌的Ach量，進而影響到MBON的輸出訊號。

由於在飢餓時果蠅對於原本討厭的氣味會有不同的反應，當該氣味濃度較低時，反而會趨向該氣味。有趣的是這個轉變需要多巴胺的參與，當作者在KC抑制dDA1這種多巴胺受器後，果蠅就不會在飢餓的時候有這樣的轉變。同樣的果蠅在被電擊去學習迴避氣味的時候，dDA1也是最重要的一種多巴胺受器。因此兩個在同樣的KC上共用了dDA1的機制。那麼接下來差在哪裡呢？過去已知道學習時還需要一種叫做rut的adenyl cyclase (AC)的參與，在學習時，KC會受到上游的嗅覺投射神經元的活化，而有較強的鈣離子反應，而rut需要有鈣離子才能夠被活化。因此學習時就是經由多巴胺以及鈣離子去活化rut。另一方面，在飢餓改變天性的路徑中，少了鈣離子的參與，此時仍有AC會活化，是ACXD。這樣的差異最終導致KC釋放Ach的量改變，最終讓MBON的活化有所不同。(如圖一)

筆者：強敬哲C.C. Charng

參考資料：Noyes, N. C., & Davis, R. L. (2023). Innate and learned odor-guided behaviors utilize distinct molecular signaling pathways in a shared dopaminergic circuit. Cell Reports, 42(2).