果蝇大脑突触可塑性的第一个直接证据

冷泉港实验室(CSHL)的科学家们解决了一个长达数十年的争论，即动物学习时大脑是如何被修改的。

使用新开发的工具来控制特定的种群神经元在美国，研究人员首次观察到果蝇学习时大脑突触可塑性的直接证据——神经元之间连接强度的变化。

“我们展示了人们长期以来一直希望看到的东西，”团队负责人、CSHL副教授格伦·特纳说，“我们非常明确地展示了它。”研究结果发表在今天的在线杂志上神经元．

由于果蝇的神经结构相对简单——只有两个突触将气味探测天线和嗅觉记忆大脑中心——蘑菇体隔开——这种小昆虫为研究学习提供了强大的模式生物。

历史上，研究人员使用一种称为钙成像的技术，监测蘑菇体内的神经元，以及它们发送信号的其他神经元。这种方法使以前的研究人员能够观察到伴随学习的神经活动的变化。然而，这项技术并不能准确地揭示神经元的电活动是如何被改变的，因为钙并不是唯一参与神经元信号传递的离子。

此外，目前还不清楚所观察到的变化与动物行为之间的关系。

特纳和他在CSHL的同事以及霍华德休斯医学研究所的珍妮利亚研究校园能够放大苍蝇大脑中一个特别重要的部分，在那里他们能够将神经活动与行为联系起来。该论文的第一作者Toshihide Hige利用他在电生理记录方面的专业知识，直接检测了该部位突触强度的变化。

研究人员发现果蝇给他们一个特定的气味测试，然后在很短的时间内让他们接受人工的厌恶暗示。为了做到这一点，他们向蘑菇体内释放多巴胺的神经元发射了微小的激光束，这些神经元经基因改造后会对光线做出反应。就像我们自己的神经元一样，果蝇体内释放多巴胺的神经元也参与奖励和惩罚。”例如，展示樱桃的气味，这通常是一种吸引苍蝇的气味，同时刺激特定的多巴胺神经元，训练苍蝇避开樱桃的气味，”特纳解释道。

除了多巴胺神经元，研究小组确定了代表测试气味的神经元，以及代表果蝇对气味的行为反应的神经元。这些神经元相互连接，而代表惩罚信号的多巴胺神经元调节这种连接。然后，研究小组对代表这种行为的神经元进行了记录。这使他们能够发现这些神经元在学习前后从代表气味的神经元接收到的突触输入的任何变化。

引人注目的是，研究小组发现，在随后的测试气味呈现中，突触输入显著减少，但对照气味没有减少。这种下降反映了学习导致的气味吸引力的下降。特纳说:“突触强度的平均下降约为80%，这是巨大的下降。”

在未来的研究中，特纳计划利用强大的工具来研究果蝇遗传学，以更好地了解学习的遗传成分。他说:“我们现在有一种方法，可以用遗传工具来研究突触的变化，以确定参与学习的分子，并在分子和生理机制之间建立桥梁，真正理解这种现象。”

“这种机械层面的理解将非常重要，”他补充道。“你经常在分子层面上看到它们之间真正强大的联系果蝇以及其他物种，包括人类。”