復(fù)旦大學(xué)腦科學(xué)轉(zhuǎn)化研究院 

小毛驢會(huì)一直追著胡蘿卜跑嗎？

有這么一則小故事，主人為了讓驢一直跑，就用桿子挑著一根胡蘿卜，吊在驢的面前，驢為了吃到胡蘿卜就不停地向前走，走啊，走啊...

當(dāng)然，這只是一個(gè)故事。有人拿一頭真正的毛驢做了實(shí)驗(yàn)，吊著一根胡蘿卜領(lǐng)著毛驢走，毛驢確實(shí)向胡蘿卜所在的方向走了幾步，但是當(dāng)發(fā)現(xiàn)吃不到胡蘿卜時(shí)就走開(kāi)了。

這里面涉及了一個(gè)有趣的獎(jiǎng)勵(lì)記憶的機(jī)制。過(guò)去胡蘿卜擺在前面，驢只要向前走就能吃到，于是當(dāng)驢看到胡蘿卜時(shí)，就會(huì)向前走，當(dāng)前進(jìn)這一行為無(wú)法縮短與胡蘿卜的距離，與過(guò)去對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)的記憶相違背時(shí)，這種對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)的記憶就會(huì)消失。

【海馬體/獎(jiǎng)勵(lì)記憶】

海馬體被認(rèn)為在新記憶的形成中起著關(guān)鍵作用，獎(jiǎng)勵(lì)記憶就包含其中。獎(jiǎng)勵(lì)記憶的研究大多使用小鼠，一般讓小鼠渴幾天，隨后讓小鼠進(jìn)行某種重復(fù)活動(dòng)，在某一位置給小鼠水獎(jiǎng)勵(lì)，進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)位置的記憶訓(xùn)練。

1971年J.O'Keefe和J.Dostrovsky發(fā)表在Brain Res上的研究表明，小鼠海馬體神經(jīng)元的活動(dòng)在靠近獎(jiǎng)勵(lì)位置的區(qū)域時(shí)會(huì)有明顯上升^[1]。2018年Jeffrey L Gauthier和David W Tank發(fā)表在Neuron上的研究表明，小鼠海馬體CA1區(qū)的神經(jīng)元在獎(jiǎng)勵(lì)位置附近活躍^[2]。2022年Adi Doron等研究了小鼠海馬體CA1區(qū)的星形膠質(zhì)細(xì)胞在獎(jiǎng)勵(lì)記憶中的作用，研究成果發(fā)表在了Nature上^[3]。

圖1：虛擬現(xiàn)實(shí)期間對(duì)小鼠CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行雙光子鈣成像[3]

 

【活體雙光子鈣成像】

將病毒AAV5-gfaABC1D-cyto-GCaMP6f注射進(jìn)小鼠海馬體CA1區(qū)中（使用病毒載體AAV5，以星形膠質(zhì)細(xì)胞特異性gfaABC1D為啟動(dòng)子，在CA1區(qū)的星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性表達(dá)胞質(zhì)靶向鈣指示劑cyto-GCaMP6f），由于海馬體距離小鼠大腦表面超過(guò)了雙光子成像的最大深度（最大深度1mm），于是選擇在錐體細(xì)胞層上方100 µm處放置成像窗口，用雙光子顯微鏡對(duì)CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)期鈣成像。

將雙光子鈣成像與定制的圓形虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備相結(jié)合，訓(xùn)練頭部固定的小鼠在跑步機(jī)皮帶（皮帶長(zhǎng)度170 cm）上跑步，完成每圈 170 cm后給予一次水獎(jiǎng)勵(lì)，與虛擬環(huán)境中的特定位置相匹配。訓(xùn)練過(guò)的小鼠在4分鐘內(nèi)可以完成15圈跑動(dòng)。

為了增加每段時(shí)間成像的星形膠質(zhì)細(xì)胞ROI（regions of interest）的數(shù)量，使用聚焦于CA1區(qū)不同深度的電動(dòng)快速可調(diào)焦透鏡，在兩個(gè)不同的FOV（fields of view）中對(duì)CA1星形膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行雙光子鈣成像。

視頻2：兩個(gè)CA1區(qū)視場(chǎng)中的星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)[3]

每個(gè)FOV中的成像結(jié)果以每秒7.745幀的速度采集，并在運(yùn)動(dòng)校正后顯示，單個(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞ROI在每個(gè)FOV中半自動(dòng)分割獲得。從而獲得兩個(gè)FOV中，單個(gè)星形膠質(zhì)細(xì)胞在一段時(shí)間內(nèi)的鈣活動(dòng)變化，提取來(lái)自每個(gè)ROI的信號(hào)后，計(jì)算Δ F/F，得出圖1f。

圖2：海馬CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)位置有記憶[3]

 

【海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞編碼獎(jiǎng)賞位置】

小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞可以對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)位置形成記憶嗎？左圖不同的顏色代表小鼠在跑道上不同的位置，星號(hào)代表水獎(jiǎng)勵(lì)交付。隨著小鼠向獎(jiǎng)勵(lì)位置的靠近，CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)事件增加。右圖每一條線代表一只小鼠，海馬CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞的同步鈣活動(dòng)隨著向獎(jiǎng)勵(lì)位置靠近而升高，出現(xiàn)了明顯向獎(jiǎng)勵(lì)位置的傾斜。這種傾斜說(shuō)明海馬CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)位置產(chǎn)生了記憶。

圖3：獎(jiǎng)勵(lì)位置不是實(shí)際的位置，而是獎(jiǎng)勵(lì)的屬性[3]

獎(jiǎng)勵(lì)位置是獎(jiǎng)勵(lì)的屬性還是實(shí)際的位置呢？當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)在沿跑道的隨機(jī)位置給予時(shí)，小鼠海馬CA1區(qū)星形膠質(zhì)細(xì)胞的同步鈣活動(dòng)向獎(jiǎng)勵(lì)位置的傾斜消失。當(dāng)小鼠跑到第11圈時(shí)，在相同環(huán)境中的新位置給予獎(jiǎng)勵(lì)，傾斜消失，重新訓(xùn)練一段時(shí)間后，傾斜出現(xiàn)了恢復(fù)。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均表明星形膠質(zhì)細(xì)胞編碼的位置不是實(shí)際位置，而是獎(jiǎng)勵(lì)的一種屬性。

圖4：對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)位置的記憶依賴于熟悉的環(huán)境[3]

小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞靠什么記憶獎(jiǎng)勵(lì)位置，是周圍的環(huán)境嗎？跑步機(jī)皮帶提供觸覺(jué)提示，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器提供視覺(jué)提示。小鼠在特定觸覺(jué)提示與視覺(jué)提示的組合中接受了一段時(shí)間的訓(xùn)練，這一組合被稱為熟悉環(huán)境，改變觸覺(jué)提示與視覺(jué)提示，形成新環(huán)境。星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)在熟悉的環(huán)境中表現(xiàn)出向獎(jiǎng)勵(lì)位置的傾斜，但在新環(huán)境中卻沒(méi)有。在新環(huán)境中重新訓(xùn)練一段時(shí)間后，傾斜出現(xiàn)恢復(fù)。說(shuō)明小鼠對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)位置的記憶依賴于熟悉的環(huán)境。

圖5：星形膠質(zhì)細(xì)胞可以靠觸覺(jué)記憶獎(jiǎng)勵(lì)位置[3]

此處的熟悉環(huán)境包括視覺(jué)線索和觸覺(jué)線索，星形膠質(zhì)細(xì)胞靠哪種感官記憶獎(jiǎng)勵(lì)位置？在熟悉的環(huán)境中訓(xùn)練小鼠，在成像過(guò)程中關(guān)閉虛擬現(xiàn)實(shí)顯示器，視覺(jué)線索消失，水獎(jiǎng)勵(lì)在相同的位置給予。傾斜依舊存在，說(shuō)明星形膠質(zhì)細(xì)胞可以靠觸覺(jué)記憶獎(jiǎng)勵(lì)位置。

圖6：在熟悉環(huán)境中可以通過(guò)星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)解碼小鼠位置[3]

能從星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)解碼小鼠位置嗎？在熟悉環(huán)境中，解碼的預(yù)期小鼠位置與小鼠的實(shí)際位置基本符合，在新環(huán)境中，解碼的預(yù)期小鼠位置與小鼠的實(shí)際位置相差較大，說(shuō)明在熟悉環(huán)境中可以通過(guò)星形膠質(zhì)細(xì)胞鈣活動(dòng)解碼小鼠位置。
綜上所述，小鼠海馬體CA1區(qū)的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以在熟悉的環(huán)境中通過(guò)觸覺(jué)記憶獎(jiǎng)勵(lì)的預(yù)期位置，并且憑借星形膠質(zhì)細(xì)胞的活動(dòng)可以在熟悉的環(huán)境中重建小鼠的運(yùn)動(dòng)軌跡。
以此類推，想要讓小毛驢一直追著胡蘿卜走，至少要做到以下幾點(diǎn)：
1.保持毛驢對(duì)蘿卜的渴望。
2.長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)訓(xùn)練，讓毛驢每走一定步數(shù)或距離就可以吃到胡蘿卜。
3.使毛驢處于熟悉的環(huán)境中。這么看來(lái)，讓毛驢在蘿卜的誘惑下背著人走的難度實(shí)在有些高，還是訓(xùn)練毛驢在蘿卜的誘惑下拉磨更有可行性一些。

【號(hào)外、號(hào)外】
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參考文獻(xiàn)：
[1]O'Keefe J, Dostrovsky J. The hippocampus as a spatial map: Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat[J]. Brain research, 1971,34(1):171-5.
[2]Gauthier J L, Tank D W. A dedicated population for reward coding in the hippocampus[J]. Neuron, 2018, 99(1): 179-193.
[3]Doron A, Rubin A, Benmelech-Chovav A, et al. Hippocampal astrocytes encode reward location[J]. Nature, 2022, 609(7928): 772-778.