다감각 학습은 뉴런을 십자가로 묶습니다

Nature 617권, 777~784페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

여러 감각 신호를 사물 및 경험과 연관시키는 것은 사물 인식 및 기억 성능을 향상시키는 기본적인 두뇌 과정입니다. 그러나 학습 중에 감각 기능을 결합하고 기억 표현을 증가시키는 신경 메커니즘은 알려져 있지 않습니다. 여기서 우리는 초파리의 다감각 식욕과 혐오 기억을 보여줍니다. 색상과 냄새를 결합하면 각 감각 양식을 단독으로 테스트한 경우에도 기억 성능이 향상되었습니다. 신경 기능의 시간적 제어는 다감각 훈련 후 시각 및 후각 기억의 향상을 위해 시각적으로 선택적인 버섯체 Kenyon 세포(KC)가 필요한 것으로 나타났습니다. 머리 고정 파리의 전압 이미징은 다중 감각 학습이 양식별 KC 스트림 간의 활동을 결합하여 단봉 감각 입력이 다중 모드 신경 반응을 생성한다는 것을 보여주었습니다. 결합은 원자가 관련 도파민 강화를 받고 하류로 전파되는 후각 및 시각 KC 축삭 영역 사이에서 발생합니다. 도파민은 GABA성 억제를 국소적으로 방출하여 KC에 걸친 세로토닌성 뉴런 내의 특정 미세 회로가 이전의 '양식 선택적' KC 스트림 사이의 흥분성 다리 역할을 할 수 있도록 합니다. 교차 양식 바인딩은 각 양식의 메모리 엔그램을 나타내는 KC를 다른 양식을 나타내는 KC로 확장합니다. 이러한 엔그램의 확장은 다감각 학습 후 기억 성능을 향상시키고 단일 감각 기능을 통해 다중 모드 경험의 기억을 불러올 수 있게 해줍니다.

삶은 대부분의 동물에게 풍부한 다감각적 경험입니다. 그 결과, 신경계는 행동을 가장 효과적으로 안내하기 위해 물체, 장면 및 사건의 다감각적 표현을 사용하도록 진화했습니다1. 다감각 학습은 교실의 어린이부터 통제된 실험실 실험의 설치류 및 곤충에 이르기까지 기억력 성능을 향상시키는 것으로 널리 알려져 있습니다2,3,4,5. 더욱이, 다감각 학습의 분명히 보편적이고 설명할 수 없는 특징은 별도의 단감각 구성 요소에 대해서도 후속 메모리 성능을 향상시킨다는 것입니다3,5. 인간과 기타 포유류에 대한 연구에 따르면 다감각 학습은 훈련 중에 공동 활성을 보인 양식별 피질 간의 상호 작용을 통해 이점을 얻을 수 있으며 개별 감각이 테스트에서 두 영역을 모두 다시 활성화할 수 있음이 제시되었습니다3,6,7,8,9. 또한, 다양한 뇌 영역의 세포는 다중 감각 단서에 반응하고 다감각 학습 후에 비율이나 숫자가 변경됩니다. 그러나 현재 우리는 다감각 학습이 뉴런을 선택적 양식에서 다중 모드로 변환하는 방법과 이러한 프로세스를 통해 향상된 다감각 및 단감각 기억 성능이 어떻게 지원될 수 있는지에 대한 자세한 기계론적 이해가 부족합니다.

초파리에서 버섯체(MB) KC의 독특한 개체군은 후각 또는 시각 투영 뉴런(및 국소 시각 중간 뉴런)으로부터 지배적이고 해부학적으로 분리된 수지상 입력을 받고 축색 돌기는 MB 로브에 평행한 흐름으로 투영됩니다. 거기에서 각 KC의 축색 아버의 연속적인 구획은 식욕 또는 혐오 자극의 강화 효과를 전달하는 도파민성 뉴런(DAN)의 시냅스전과 교차됩니다. 도파민 강화는 활성 KC와 하류 MB 출력 뉴런의 구획 제한 수상돌기 사이의 시냅스를 억제하여 원자가 특이적 기억을 코딩합니다.

Drosophila의 다감각 학습을 연구하기 위해 우리는 색상과 냄새가 함께 표시될 수 있도록 후각 T-maze18을 조정했습니다(그림 1a). 음식이 부족한 파리는 색상 및/또는 냄새(조건 자극 마이너스(CS-))를 제시한 다음 설탕 보상과 짝을 이루는 다른 색상 및/또는 냄새(조건 자극 플러스(CS+))를 제시하여 훈련되었습니다(그림 1). 1a,b). 색상만으로 훈련하고 테스트했을 때(시각적 학습), 파리는 이전에 설탕 쌍 색상에 대해 학습된 선호도를 크게 나타내지 않았습니다(그림 1b-d 및 확장 데이터 그림 1a). 그러나 색상과 냄새(합동 프로토콜)를 결합하면 강력하고 오래 지속되는 기억이 생성되었으며 이는 냄새만 사용한 훈련(후각 학습)에 비해 크게 향상되었습니다(그림 1b-d 및 확장 데이터 그림 1a,b). 훈련과 테스트 (부적절한 프로토콜)간에 색상과 냄새 조합이 바뀌면 (그림 1b-d 및 확장 데이터 그림 1a, b) 메모리 향상이 관찰되지 않았습니다. 또한 훈련 및 테스트 중에 동일한 색상이 CS- 및 CS+ 냄새로 표시되면 기억력 향상이 분명하지 않았습니다(확장 데이터 그림 1c). 따라서 다감각 학습의 기억력 향상 효과를 위해서는 특정 색상과 냄새 조합 간의 학습된 관계가 필요합니다. 훈련 후 6시간 동안 측정된 기억의 경우, 부적합한 프로토콜은 후각 학습에 비해 성능이 크게 저하된 것으로 나타났습니다(그림 1d). 이는 훈련과 테스트 간에 색 냄새 우발성이 전환될 때 파리가 충돌한다는 것을 나타냅니다.