果蝇学习记忆及类认知功能的研究进展

神经科学进展（五），198～201
果蝇学习记忆及类认知功能的研究进展
刘刚刘力
中国科学院生物物理研究所
【作者简介】
刘力，研究员。

1989年毕业于南开大学物理系，1996年在中国科学院生物物理研究所获博士学位。

1997至1999年获德国洪堡奖学金在德国维尔兹堡大学生命中心做博士后。

1999年底入选中国科学院“百人计划”到生物物理所任研究员。

主要从事果蝇学习和记忆等认知过程的细胞分子基础的研究。

发现了果蝇具有对视觉刺激进行归纳的能力，系统地研究了果蝇脑中扇形体结构参与视觉图形的识别与记忆过程。

目前承担的科研任务包括：科技部973项目子课题、国家自然科学基金委杰出青年基金项目和中国科学院知识创新方向性项目等。

【代表性论文】
1.Wang ZP, Pan YF, Li WZ, Jiang HQ, Chatzimanolis L, Chang JH, Gong ZF, Liu L. Visual
pattern memory requires foraging function in the central complex of Drosophila. Learning & Memory, 2008.
2.Liu G, Seiler H, Wen A, Zars T, Ito K, Wolf R, Heisenberg M, Liu L. Distinct memory traces for
two visual features in the Drosophila brain. Nature, 2006,439: 551-556.
3.Liu L, Wolf R, Ernst R, Heisenberg M. Context generalization in Drosophila visual learning
requires the mushroom bodies. Nature, 1999,400: 753-756.
无论结构相对简单还是相对复杂的脑，都在发育和进化过程中获得了各自不同水平的认知功能。

而基本的认知功能更可能存在于结构相对简单的脑中。

有“遗传学家的宠儿”美誉的果蝇因为具有清楚的遗传背景和解剖结构，成为研究学习记忆及其类认知功能的理想动物模型。

在20世纪70年代，Benzer等人利用化学诱变的方法获得了大量果蝇单基因突变体，包括影响学习记忆的dnc、rut等突变体，这些突变体不但为其后的研究提供了很好的切入点，更重要的是成功确立了正向遗传学方法。

为了更好地研究学习记忆的遗传学基础，一系列果蝇的学习记忆范式被创立和发展起来，例如以T迷宫为基础的嗅觉学习记忆范式和以飞行模拟器等为基础的视觉学习记忆范式等。

正是这些精致的范式配合着多种多样的分子遗传学工具，使人们
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果蝇学习记忆及类认知功能的研究进展·199·
对学习记忆的认识不断深入。

确定果蝇学习记忆的神经回路一直是科学家关注的焦点。

如用药物等不同的方法破坏果蝇脑中蘑菇体结构就会阻断其嗅觉学习记忆。

虽然果蝇蘑菇体结构与嗅觉学习记忆相关，但其形成的过程却涉及整个嗅觉回路，是一个多组织协同对嗅觉刺激信息进行分析、加工、处理、整合的过程。

目前的研究表明，果蝇对嗅觉刺激等信息感受始于触角和嗅觉感觉神经元，不同的感觉神经元或感觉神经元的特异组合编码了不同气味信息和不同气味的组合，然后信息一级一级经天线叶，投射神经元，凯氏细胞向上传递并编码，一直到蘑菇体。

果蝇记忆巩固的特征同其他动物模型是基本一致的，首先，记忆是以短期存在的形式被储存的，尽管这时的记忆是不稳定的，但是对于长时程稳定的记忆却是必要的；其次，许多任务都需要反复的训练，中间还要间隔，才能产生长时程记忆；第三，长时程记忆需要蛋白和RNA的合成，而短时程则不需要。

利用视觉学习记忆范式，科学家们对果蝇类认知功能的研究取得了很大的进展。

刘力等（1999）设计的实验发现野生正常型果蝇经过训练后能够对环境中的视觉刺激进行归纳。

他们认为果蝇的蘑菇体能够对环境中的视觉刺激进行动态分析，并在时间参量上能与非条件刺激进行比较。

把与非条件刺激同步改变的视觉刺激作为条件刺激，而在时间参量上与非条件刺激不同步变化的刺激信号作为背景信息。

蘑菇体正常的野生型果蝇因为具有这种归纳能力，从而可以排除背景变化的影响，在条件刺激和非条件刺激之间建立联系。

蘑菇体缺失的果蝇不能对各种刺激进行归纳，因为它们不能在训练条件下将视觉图案与背景信息分开。

这些果蝇将条件刺激与背景信息构成了一个复合体。

因此当背景信息改变后，复合体也改变了，这样就阻止了对新刺激信号的归纳。

另外唐世明实验室的研究显示果蝇对不涉及视觉重心高度的图形信息（如边缘方向、大小和颜色）的输入，具有位移不变性的特征（translation invariance），即果蝇可以辨识图形而不依赖于它最初在视野中所呈现的位置。

郭爱克实验室进行的条件选择实验是研究果蝇视觉类认知功能的又一很好范例。

在这一训练过程中，当果蝇看到某种颜色的T形图案时，给它一个热惩罚，这里必须说明的是T形图案同图案颜色之间完全是一个并列的关系；随后再进行检测，发现野生型果蝇很容易记住与训练时完全一样的彩色T图形，而且即使去掉其中一个因素（如图形颜色），那另外一个因素（图形形状）依然会很有效地帮助果蝇回忆起刚才训练的内容。

进一步又将训练过程中的颜色和图形的对应关系进行调换，让果蝇进行选择。

他们发现野生型果蝇可以分析出哪一个矛盾因素是主要的，并以此作为产生相应行为的依据，而蘑菇体突变的果蝇在面对矛盾因素时则显得无所适从，即果蝇无法在相互冲突的因素中找出主要的矛盾。

在随后进行的果蝇记忆跨模态传递的实验中，首次验证了果蝇的记忆具有在视觉和嗅觉学习记忆间传递并协同增强的特性，以至于新近发表了关于多巴胺蘑菇体环路对果蝇行为决策影响的论文。

所有这些研究成果都赋予了果蝇更丰富的生物学功能。

与对嗅觉学习记忆的理解相比，人们对视觉学习记忆的认识还比较有限，至少在视觉学习记忆的神经回路这个基本问题上缺乏有效的证据和答案。

针对果蝇视觉学习记忆定位与功能分析这样一个基本的问题，我们的研究为此提供了一些线索。

果蝇脑中另一个重要的结构是中央复合体，位于果蝇脑的中央，包含有大约20 000个神经元，由原脑桥（protocerebral bridge）、椭球体（ellipsoid body）、扇形体（fan-shaped body）、小节(nodulli)等部分构成。

研究表明凡存在中央复合体缺陷的果蝇，都会表现出不同程度的视觉学习记忆缺陷。

结合用药物学方
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法阻断蘑菇体发育不影响果蝇视觉学习记忆能力，提示可能是中央复合体而不是蘑菇体参与了果蝇的视觉学习记忆。

在果蝇中rut基因编码了一种与哺乳动物同源的、Ca2+/CaM敏感的Ⅰ型腺苷酸环化酶，并受到G蛋白、Ca2+等多种因子的调节。

Goodwins等人认为其功能更接近于“信号整合检测器”（coincident signal detector），来自外界的条件刺激增加了感觉神经元中Ca2+的内流，而非条件刺激则促进了某种兴奋性神经递质的释放，从而激活了G蛋白偶联的受体，Ca2+和Gsα蛋白接下来共同作用于Ca2+/CaM敏感的腺苷酸环化酶，协同激活腺苷酸环化酶，从而可以将来自两个通路的调控信息整合在一起，并产生反应。

借助于rut基因已知的这些特性，我们把其应用于果蝇视觉学习记忆的研究。

rut基因突变体本身表现出视觉学习记忆缺陷。

在其突变背景下，通过使用大量Gal4品系在果蝇脑内不同区域分别表达野生型的rut基因，筛选能使学习记忆功能恢复的Gal4品系。

通过免疫荧光标记方法研究筛选到的Gal4品系，显示在中央复合体的扇形体有共同的表达区域。

扇形体由层状结构组成，共同区域限定在扇形体的两层细胞结构内，即第一层和第五层。

根据先前的研究我们知道，果蝇对图形的辨识策略，主要是通过加工图形的五类不同信息参数实现的。

一直以来用来训练果蝇的T图形主要包含的是图形重心信息，于是我们相继使用图形大小和图形角度信息对果蝇进行检测。

我们惊奇地发现，对图形重心信息的分辨真正起作用的实际上只是第五层神经元，第一层神经元则负责果蝇对图形角度信息的分辨。

这样我们再次通过rut基因功能恢复技术，发现了扇形体内两层细胞结构的功能特异性。

根据已有的实验结果，我们设想扇形体的另外几个片层结构可能负责果蝇对其他图形信息的加工与处理，且扇形体内还有许多纵向神经纤维系统，这一结构将扇形体内的不同片层结构联系在一起，使我们认为它的作用很有可能就像其结构那样，将单纯的图形信息（重心、角度等）联系到一起，据此我们给出了果蝇分辨复杂图形的一种策略假说：“分－总”式，“分”是指果蝇将复杂图形拆分成几类视觉特征信息在扇形体片层中加工，“总”是指果蝇通过纵向纤维系统将视觉信息特征再联系到一起。

还有一种假说“总”式：果蝇从一开始看到的是一个“总”的信息，是几类图形信息结合后产生的一个新图形信息，例如在唐世明的实验中用到的两个彩色条形图，果蝇通过它们的相互位置关系把其看作一个总的信息。

两种假说是否可以统一到一起，还有待证明。

我们主要对果蝇处理视觉图形信息功能做了初步的研究，并以实验结果为依据，提出了一个假说，使我们的后续工作可以在这个框架内延续，继续去揭示果蝇视觉学习记忆的机制。

并且一直以来，认为果蝇的类认知功能（多与蘑菇体相关）是基于视觉联想式学习记忆（主要与中央复合体相关），但却没有人证明过。

本文的结果和研究方法使我们有充足的把握去论证这一命题，这必然使蘑菇体与扇形体的功能研究不再孤立。

总体而言，果蝇中央复合体、蘑菇体和其他结构的功能分工与协作是其应对大千世界的永恒利器。

参考文献
1.Connolly JB, Roberts IJ, Armstrong JD, Kaiser K, Forte M, Tully T, O'Kane CJ. Associative learning disrupted
by impaired Gs signaling in Drosophila mushroom bodies. Science 1996, 274(5295):2104-7
2.de Belle JS, Heisenberg M. Associative odor learning in Drosophila abolished by chemical ablation of mushroom
bodies. Science. 1994, 263(5147):692-5
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3.Goodwin SF, Del Vecchio M, Velinzon K, Hogel C, Russel SRH, Tully T. Defective learning in mutants of the
Drosophila gene for a regulatory subunit of cAMP-dependent protein kinase. J Neurosci. 1997, 17:8817-8827. 4.Guo J, Guo A. Crossmodal interactions between olfactory and visual learning in Drosophila. Science 2005,
309(5732):307-10
5.Hanesch U, Fishbach KF, Heisenberg M. Neuronal architecture of the central complex in Drosophial
melanogaster. 1989 Cell Tissue Res. 257:343-366.
6.Lin HH, Lai JS, Chin AL, Chen YC, Chiang AS. A map of olfactory representation in the Drosophila mushroom
body. 2007, Cell 128(6):1205-17
7.Liu G, Seiler H, Wen A, Zars T, Ito K, Wolf R, Heisenberg M, Liu L. Distinct memory traces for two visual
features in the Drosophila brain. Nature 2006, 439: 551-556.
8.Liu L, Wolf R, Ernst R, Heisenberg M. Context generalization in D rosophila visual learning requires the
mushroom bodies. Nature 1999, 400:753-756.
9.Livingstone MS, Sziber PP, Quinn WG. Loss of calcium/calmodulin responsiveness in adenylate cyclase of
rutabaga, a Drosophila learning mutant. Cell 1984, 137:205–15
10.McGuire SE, Le PT, Davis RL. The role of Drosophila mushroom body signaling in olfactory memory. Science
2001, 293(5533):1330-3
11.Tang S, Guo A. Choice Behavior of Drosophila Facing Contradictory Visual Cues. Science 2001, 294: 1543-1547
12.Tang S, Wolf R, Xu S, Heisenberg M. Visual pattern recognition in Drosophila is invariant for retinal position.
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13.Tully T, Quinn WG. Classical conditioning and retention in normal and mutant Drosophila melanogaster. J Comp
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14.Waddell S, Quinn WG, Flies, Genes and Learning. Annu.Rev.Neurosci. 2001, 24: 1283-309
15.Wolf R, Heisenberg M. Visual control of straight flight in Drosophila melanogaster. J Comp Physiol [A]. 1990,
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16.Zars T, Fischer M, Schulz R, Heisenberg M. Localization of a short-term memory in Drosophila. Science. 2000,
288(5466):672-5
17.Zhang K, Guo JZ, Peng Y, Xi W, Guo A. Dopamine-mushroom body circuit regulates saliency-based
decision-making in Drosophila. Science 2007, 316:1901-4。