Nature：如何加深学习记忆？研究显示多感官学习可以提高记忆力！

近日，Zeynep Okray和Scott Waddell团队在果蝇中探究了多感官学习如何提高物体识别和记忆性能。实验发现，结合颜色和气味可增强记忆性能，多感官学习增强视觉和嗅觉记忆所需的蘑菇体Kenyon细胞（mushroom body Kenyon cells，KCs），使得交叉模态绑定（Cross-modal binding）成为可能。这种engram的扩展提高了多感官学习后的记忆性能，并允许单个感官特征来检索多模态体验的记忆。

他们的成果“Multisensory learning binds neurons into a cross-modal memory engram”发表在最新一期的Nature杂志上。

生物的生活充满了多种感官的体验，多感官学习可以提高记忆力，包括对单个感官的提高。研究表明，不同脑区细胞会对多种感官线索作出反应。在果蝇中，多巴胺通过抑制活性KCs和下游MB（mushroom body）输出神经元的树突，编码具有价值的特异性记忆。目前，我们仍然不清楚多感官学习将神经元从选择性转变为多模式的机制，以及这一过程如何增强多感官和单感官的记忆性能。

多感官学习可以提高记忆力

作者通过将颜色和气味同时呈现于嗅觉T-maze中（图1a，b），发现将颜色和气味结合起来训练能够显著增强多感官学习的记忆效果（图1b-d），而颜色和气味之间的学习关系对记忆增强效果至关重要。多感官训练提高了单个颜色和气味记忆组件的记忆性能，并且在训练和测试期间使用多感官刺激可以进一步提高性能（图1e，f）。作者还发现，颜色和气味的互动关系在多感官学习中非常重要。此外，实验还暗示了果蝇能够区分颜色，但色调和亮度也有影响。

图1.多感官学习增强记忆性能

嗅觉检索需要视觉KC

作者发现，大量嗅觉KCs（γm KCs）的树突占据了蝇脑主要区域，而视觉信息主要通过小部分KCs（αβp & γd KCs）和辅助鳞状体（the accessory calyces）接收。作者阻断了这些视觉KCs中的输出，并发现在多感官学习中的视觉成分受到影响（图2e，f），但在气味训练中的记忆没有受到影响。这表明多感官学习可能会扩大气味的表示范围，以包括视觉KCs。

图2.M1效应物间的功能连接和皮质厚度

神经元获得跨模态激活

作者在研究中使用了双光子功能成像（图3a-d）和电压成像（voltage-imaging）技术，来直接测试γd KCs中学习的气味唤起反应。作者进行了多感官、单感官和未配对训练后的比较，并发现在多感官训练后，CS+气味在γ5隔间中引起了显著的γd KC轴突去极化反应（图3a）。

作者进一步推断，多巴胺能奖励教学信号（dopaminergic reward teaching signals）通过招募γd KC轴突的γ5段被气味激活和γm颜色激活，进而拓宽γ-KC集合中的CS+气味激发和CS+颜色激发（图3g）。作者还测试了轴突招募模型，发现厌恶性学习使γ1下游的所有轴突段都可以通过互惠模式激发（图4c），但奖励学习主要改变γ4和γ5段内的CS+激发（图3g）。

这些发现为多感官学习的记忆机制提供了一种新的解释，也揭示了γd KC轴突在多感官学习后的重要作用。

图3. 多感官学习将γd KCs转换为气味激活和γm KCs颜色激活

图4.γd KC在厌恶性多感官学习后被气味激活

Engram扩展有利于新学习

作者继续探究了在多感官训练后，将CS+气味表示扩展到γd轴突的特定部分，是否有助于后续使用相同气味进行学习。实验使用多感官训练苍蝇，并进行单感气味奖励或气味惩罚学习（图4f，g）。结果显示，多感官厌恶训练显著增强了随后的气味奖励学习（图4d），但厌恶性气味学习未增强（图4e）。因此，适当激活γd轴突段时，CS+气味表示的多感官训练扩展可以包含在下一个CS+气味记忆包中。

DPM神经元连接KC感官流

作者接着研究了苍蝇嗅觉学习的神经回路，特别关注了嗅觉信息如何在脑部处理和储存。他们发现一个被称为DPM（dorsal paired medial）神经元的细胞类型（图5a，b），它连接了两个不同的嗅觉神经元，将它们纳入同一个神经回路中。这种神经元在多感官学习过程中扮演了重要角色，它有助于将嗅觉和视觉信息相互关联，从而形成更复杂的记忆。

作者通过一系列实验揭示了DPM神经元如何促进嗅觉记忆的形成，以及它们如何与其他神经元相互作用以实现这一目标（图5c-h）。

图5.DPM介导多感官刺激结合

结 论

本研究发现果蝇具备一种神经机制，即通过多感官学习可以提高记忆性能。这种机制是通过DPM神经元将气味和颜色信息结合而实现的。这项研究为我们深入了解苍蝇海马体相关模式提供了新的思路，并揭示了多感官整合障碍的致幻药物目标。

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06013-8

参考文献

Okray, Z., Jacob, P.F., Stern, C. et al. Multisensory learning binds neurons into a cross-modal memory engram. Nature (2023).

编译作者：Ayden（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）