为巴甫洛夫遗留的百年难题提供答案，北大团队揭示五羟色胺双向调节学习记忆的“一致性时间窗口”新机理

一个世纪前，俄国科学家伊万·巴甫洛夫（Ivan Pavlov，1904 年诺贝尔生理学或医学奖获得者）以狗为研究对象，训练狗学会“铃声-食物”之间的关系，让狗听到铃声便开始分泌唾液。他提出了经典的学习记忆理论模型“关联学习”，也被称为“条件反射”。

巴甫洛夫首次发现，除了铃声和食物外，时间一致性（coincidence）是另一个决定该训练是否成功的关键因素。只有当铃声和食物同时出现、或者间隔很近时，训练才能成功；反之，当铃声和食物相隔很远时，学习记忆则不会发生。

此后，科学家们在不同的物种中陆续观察到，几乎所有的学习记忆行为都由“时间一致性”决定，例如研究人的“铃声-眨眼”记忆、研究海兔的“触摸-电击”记忆、研究果蝇的“气味-电击”记忆。

但是，这些研究仅是针对简单现象的描述，并未对其背后具体神经机制的解析，比如时间窗口长度是不是能调节？其对学习记忆后突触的可塑性变化会不会产生影响？它受哪种神经环路与分子机理的调控？

以研究果蝇的“气味-电击”记忆作为范式，北京大学/深圳湾实验室团队利用其自主开发的系列神经递质荧光探针相结合，发现了一种关于五羟色胺双向调节学习记忆的“一致性时间窗口”的新机理，并深度解析了五羟色胺在突触可塑性方面的调节，以及这项功能所依赖的负反馈神经环路。

根据研究相关结果，嗅觉学习记忆行的“一致性时间窗口”为 16.9 秒，而嗅觉学习记忆能够被五羟色胺调节的动态范围在 10.4 秒至 33.3 秒之间。该研究对更深入地认识学习记忆障碍的病理机制，并通过新机理的阐述药物干预患者的时间认知障碍方面提供新的参考。

图丨相关论文（来源：Neuron）

近日，相关论文以《局部五羟色胺信号双向调节关联学习的一致性时间窗口》（）为题发表在 Neuron 上[1]。

北京大学生命科学学院教授/深圳湾实验室分子生理学研究所合作研究员、深圳湾实验室分子生理学研究所博士后为该论文的共同通讯作者，博士和北京大学生命科学学院博士研究生李雪霖为论文的共同第一作者。

图丨五羟色胺能神经元在蘑菇体中形成负反馈神经环路，在突触可塑性和嗅觉学习记忆两个层面调节“一致性时间窗口”（来源：Neuron）

不同于工程学项目，从事基础科学探索，往往一开始并没非常清晰的方向。实际上，实验室以开发神经递质荧光探针为主要研究方向，他们在观察到学习记忆中枢的五羟色胺信号后才开始思考，这个神经信号的生物学意义是什么呢？

果蝇的嗅觉学习记忆研究已有将近半个世纪的历史。该团队首先测试五羟色胺是否在已经被报道的功能中发挥冗余的作用，比如记忆的巩固、记忆的提取、不同气味信息的区别编码等，但这些尝试都未达到预期的效果。

图丨与嗅觉学习记忆相关的突触可塑性变化（来源：Neuron）

2019 年，美国洛克菲勒大学霍华德休斯医学研究所研究员凡妮莎·鲁塔（）课题组在 Cell 上发表论文，研究了条件性刺激（conditioned stimulus，CS）和非条件性刺激（unconditioned stimulus，US）之间的先后顺序[2]。

受到这一研究的启发，团队开始对关联记忆中的时间关系重点关注。他们意识到，还有没人发现影响 CS 和 US 之间时间间隔的神经机制，从而提出猜想——五羟色胺可能在其中发挥作用，并最终成功验证。

值得注意的是，实验中除了使用团队发展的 GRAB 探针，还使用了中国科学院深圳先进技术研究院的实验室王亮博士发展的高灵敏的 cAMP 探针。

论文投稿过程几经波折，从开始投稿到最终被接收用时 10 个月，在此期间该课题组补充了两轮数据。一位该论文的合作者曾表示：“补充的数据已足够整理成一篇完整的论文。”

审稿人表示，该论文以丰富的实验证据为基础，从理论上推动了人们对关联学习记忆中的时间关系问题的认知；此外，还展示了如何利用新型神经递质探针刻画神经环路的功能。

另一位审稿人则评价称，该论文研究了一个非常有趣的猜想——五羟色胺调控关联学习记忆的“一致性时间窗口”。这是非常重要的生物学问题，本研究的数据新颖、展示清晰，作者结合光遗传学和神经递质荧光探针成像，不仅给出了行为学和生理学层面的证据，还解析了果蝇蘑菇体中发挥相关功能的神经环路。

图丨从左到右依次为：教授、博士后、博士研究生李雪霖（来源：该团队）

2015 年，加入实验室，目前重点聚焦于可基因编码的荧光探针工具的开发，用于解析活体动物、尤其是神经系统中的分子动力学，致力于为重要生物学过程和疾病的干预治疗提供新的见解。

2021 年，获得著有“华人生命科学领域在读博士的最高奖项”之称的吴瑞奖学金，他也是团队获得该奖项的第二位科研工作者，这与吴瑞奖所代表的“科研传承”的精神高度契合。

“有意思的是，比我大两届的师姐博士是 2019 年的吴瑞奖获得者，她在本科四年级时就开始带我做实验，我们和博士合作开发了首个可基因编码的多巴胺荧光探针工具，相关论文于 2018 年在 Cell 发表 [3]。”

之后，和师妹李雪霖一起把这些新工具应用在果蝇上，进行了一系列关于学习记忆学问题的探索，最终才有了关于五羟色胺调节记忆“时间窗口”的研究结果。

果蝇是重要的模式生物，果蝇的嗅觉神经环路是目前人类已知的最清楚的大脑结构。科学家已经在突触水平重构了神经元连接图谱、解析了单细胞转录组，并且实现了在单细胞水平进行神经元的激活和抑制。

表示：“站在前人的肩膀上，利用我们新开发的研究工具，才得提出‘行为-环路-突触-分子’的完整框架，为回答巴甫洛夫遗留百年的重要问题开启了一扇窗口。”

参考资料：

1.Zeng, J., Li, X., Zhangren, Z., Lv, M., ... & Li, Y.# (2023). Local 5-HT signal bi-directionally modulates the coincident time window of associative learning. Neuron.

https ://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.12.034

2. Handler, A., Graham, T. G. M., ..., Zeng, J., Li, Y. & Ruta, V. (2019). Distinct dopamine receptor pathways underlie the temporal sensitivity of associative learni ng. Cell. https ://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.040

3. Sun, F., Zeng, J., Jing, M., Zhou, J., Feng, J., Owen, S., ... & Li, Y. (2018). A genetically-encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.06.042