内嗅皮层扇形细胞：联想记忆“老司机”

交规第一课就是要知道红灯停，绿灯行，这种红绿灯的联想记忆是深入骨髓的。假如你只身来到了一个平行宇宙，这个宇宙用的是另一套交通灯系统，比如紫灯停，蓝灯行，或者橙灯停，白灯行呢？没人告诉你这个规则，你只能通过不断试错来了解，有一天，你试图将地球上的红绿灯规则照搬到了紫蓝灯或者橙白灯系统，发现还真是这么回事！至此，新的联想记忆就完成了。

小鼠可不是老司机，作为一个重度近视+红绿色盲症患者，它要学习这一套“交通灯系统”可不容易。最近来自加州大学尔湾分校的一群科学家终于通过气味-奖励训练教会了小鼠这套“交通规则”：他们规定小鼠闻到气味A后舔吸管有糖水奖励，闻到气味B后舔吸管会有奎宁水惩罚。于是小鼠很快就学会了气味-奖赏的联系，掌握了”A气味行“，”B气味停“的“地球规则”。随后小鼠被放置到”平行宇宙“，此时新的C气味和D气味出现，它开始学习新的规则了（即“C气味行，D气味停”），在这一组试验结束后，新气味又变成了E和F，G和H……，每一组新气味都有一个“行”和一个“停”，被统称为气味1（行）和气味2（停），也就是说，小鼠要学会的不仅仅是从某一种特定气味联想到对应的奖励/惩罚，还要具备“迁移思维”：从地球交通规则中领悟到平行宇宙中同样的气味-奖励规律。

- Lee et al., Nature -

这种联想记忆的形成和存取是由哪些脑区、环路控制的呢？之前的研究发现内嗅皮层（entorhinal cortex）与联想记忆密切相关，既然如此，这个任务是否同样能追本溯源到内嗅皮层中？为此，研究人员用光遗传手段在联想学习阶段分别抑制外侧内嗅皮层（lateral entorhinal cortex，LEC）的扇形细胞（fan cells）和内侧内嗅皮层（medial entorhinal cortex，MEC）的锥形细胞（pyramidal cells），发现抑制LEC扇形细胞会让新气味（气味1、2）的学习大打折扣，而对已有的旧气味（气味A、B）没有影响，相比之下，MEC的锥形细胞似乎对这两种行为都没有影响，这个实验说明，外侧内嗅皮层的扇形细胞才是控制气味-奖赏学习的主力。

为了研究扇形细胞在学习过程中的活跃情况，研究者运用“opt-tag”的方法记录了213个LEC的扇形细胞，他们发现LEC扇形细胞在学习过程中非常活跃：随着学习的进行，这些细胞有的特异性对气味A和气味1有反应，有的则对气味B反应，这些反应也随着时间的变化而变化。通过主成分分析（PCA）来研究扇形细胞对不同气味反应随时间的轨迹，可以看到初期扇形细胞对气味A和气味B的反应差别并不大（体现在高维空间中的轨迹之间的距离很小），但随着学习的深入，细胞对气味A和气味B的反应开始区分彼此了。有意思的是，如果观察细胞对气味A和气味1的轨迹，可以看到这两者在学习后期越来越接近（甚至重叠）——似乎小鼠学会了把气味A和气味1归为了有奖励的同一组，并且坚决与气味B和气味2划清“楚河汉界”。

- Lee et al., Nature -

扇形细胞是受了什么上级指示才学会这个规则的呢？任务中气味-奖励的联系让人联想到强大的多巴胺系统。研究人员发现LEC受到不少来自腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA）和黑质致密部（substantia nigra pars compacta，SNc）脑区多巴胺能神经元的投射，如果通过光遗传技术抑制掉这些多巴胺投射，就可以破坏小鼠对新气味的联想学习能力。如果通过光纤光度仪来捕捉多巴胺能神经元投射的轴突钙信号，研究人员发现，在小鼠只能闻到旧气味A、B时，他们检测不到任何钙信号反应，而在小鼠接触到新气味时，多巴胺神经元的钙信号开始发放了：这一阶段包含了A、B、1、2四种气味，小鼠对气味A和1产生了选择性的钙信号活性，刚开始虽然它对气味2也有反应，但后面发现气味2只能舔到“寂寞的苦”，久而久之也就和对气味B一样，态度冷淡下来了。不仅如此，在扇形细胞放电的高维轨迹图中，如果细胞对气味A和气味1的反应在高维空间中的重叠、相似程度越高，则小鼠做任务的正确率越高，相反，如果气味A和气味B的分开程度越小，则小鼠的正确率越低。如果用光遗传技术抑制掉多巴胺投射，细胞对气味A和气味1的反应就不再在空间上重叠，小鼠做任务的正确率也随之降低了。这些结果说明LEC区域的多巴胺信号控制着新的联想学习产生。

- Lee et al., Nature -

可见，要想联想记忆好，外侧内嗅皮层的多巴胺必不可少呀！

本文来自微信公众号“神经现实”（ID：neureality），作者：Veronica，36氪经授权发布。