多巴胺神經元的複雜性更甚過往的認知
「獎勵」與「懲罰」的腦神經迴路，是散佈式的在大腦中分布的呢？抑或是分別有獎勵中心和懲罰中心？在果蠅大腦中，過去認為是兩群發育和分布在不同位置的多巴胺神經元集群─PPL1代表懲罰，而PAM代表獎勵，不同亞型的PPL1和PAM神經元，過去科學家主要以在學習中心蕈狀體（Mushroom Body, MB）分佈的區域不同(共15個區域)來做分類。但過去我們多半將同一亞型的DANs看作功能單一的「教學信號發射器」。來自英國牛津大學和劍橋大學的研究則大膽問：難道這些神經元，沒有分工嗎？他們的研究結果在果蠅大腦中揭示了一個驚人的事實：就算是同一子區域的PAM神經元，其實也「各司其職」，分別負責不同的學習與記憶功能，大大擴增了多巴胺神經元的複雜性。結果發表於《Current Biology》。
果蠅大腦中有一個稱為蕈狀體（Mushroom Body, MB）的結構，是它們學習與記憶的關鍵區域。先前研究指出，多巴胺神經元（Dopaminergic Neurons, DANs）會將「好」與「壞」的經驗訊號送進蕈狀體，幫助果蠅建立氣味與獎賞(水平葉, horizontal lobe)或懲罰(垂直葉, vertical lobe)的關聯。研究團隊使用果蠅全腦的電子顯微鏡掃描圖（FAFB資料庫），詳細重建了三個特定區域的多巴胺神經元，包括：
• PAM-γ5：過去認為與甜味學習、記憶消退相關。
• PAM-β′2a：過去認為參與水、糖的獎勵學習。
• PPL1-γ1pedc：過去認為負責懲罰學習（如電擊、苦味）與飢餓下的動機控制。
有趣的是，光是γ5這一區就可再細分成五種亞型(如圖)，它們在同一區域中卻負責不同的任務。有些神經元會從亞食道神經元（SEZON）接收味覺訊號，有些則只蕈狀體的輸出神經元（MBON）接收回饋，專門負責更新舊有記憶。
為了驗證這些亞型是否真有不同功能，團隊進一步使用「光遺傳技術」讓特定神經元發光活化，或使用溫度敏感的突變來抑制它們活動。結果顯示：
• 某些γ5亞型（稱為PAM-γ5(fb)）控制記憶的更新（extinction）：當環境改變、經驗不再準確時，這些神經元會介入修正。
• 其他γ5亞型則專責糖的學習：當果蠅聞到氣味同時嚐到糖，它們會幫助建立「這個味道是好東西」的記憶。(不過這部分基因工具仍會影響到其他神經元，仍需更準確的工具)
這項研究顛覆了傳統觀點。過去我們以為，一個神經區域裡的多巴胺神經元共同傳遞一種訊號；但現在我們知道，它們可能透過分工、接收不同輸入、連結不同下游神經，讓一個小區域就能承擔多種行為調控功能。就像一條公路上的不同車道，儘管都通向相同方向，但每條車道跑的是不同的車、載的是不同的資訊。這也提醒我們：大腦的運作，從來不是線性簡單的，而是一張精密編織的神經網路。
筆者認為此研究帶來許多有趣的問題:
1. 本研究彰顯了更細緻的迴路探究的必要，同一條道路最終的目的地或許並不相同，而個體間這樣的道路是否都是固定的，還是每個個體的道路會有不同呢？
2. 此外本研究專注在分析上游的輸入多樣性，往下游的輸出多樣性或許也值得去探究，特別下游細胞負責編碼氣味而和記憶的形成有密切的關連。
3. 本研究所用的FAFB資料庫，數據是否夠完整還有待確認，最終需要更多的電子顯微鏡的資料去確認，以及用螢光的數據才能更確認神經元的完整性。
筆者: 強敬哲 C.C. Charng
參考資料:
Otto, N., Pleijzier, M. W., Morgan, I. C., Edmondson-Stait, A. J., Heinz, K. J., Stark, I., ... & Waddell, S. (2020). Input connectivity reveals additional heterogeneity of dopaminergic reinforcement in Drosophila. Current Biology, 30(16), 3200-3211.
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