Мультисенсорное обучение связывает нейроны в крест

Nature, том 617, страницы 777–784 (2023 г.) Процитировать эту статью

14 тысяч доступов

94 Альтметрика

Подробности о метриках

Связывание нескольких сенсорных сигналов с объектами и опытом — это фундаментальный мозговой процесс, который улучшает распознавание объектов и производительность памяти. Однако нейронные механизмы, которые связывают сенсорные функции во время обучения и усиливают выражение памяти, неизвестны. Здесь мы демонстрируем мультисенсорную аппетитную и аверсивную память у дрозофилы. Сочетание цветов и запахов улучшило работу памяти, даже когда каждая сенсорная модальность тестировалась отдельно. Временной контроль функции нейронов показал, что визуально селективные клетки Кеньона с грибовидными тельцами (KC) необходимы для улучшения как зрительной, так и обонятельной памяти после мультисенсорной тренировки. Визуализация напряжения у мух с фиксированной головой показала, что мультисенсорное обучение связывает активность между потоками модально-специфичных KC, так что унимодальный сенсорный вход генерирует мультимодальный нейрональный ответ. Связывание происходит между областями обонятельных и зрительных аксонов KC, которые получают валентно-зависимое дофаминергическое усиление, и распространяется вниз по течению. Дофамин локально высвобождает ГАМКергическое ингибирование, позволяя специфическим микросхемам в серотонинергических нейронах, охватывающих KC, функционировать в качестве возбуждающего моста между ранее «модально-селективными» потоками KC. Таким образом, кросс-модальное связывание расширяет KC, представляющие инграмму памяти для каждой модальности, до тех, которые представляют другую. Такое расширение инграммы улучшает работу памяти после мультисенсорного обучения и позволяет одной сенсорной функции восстановить воспоминания о мультимодальном опыте.

Для большинства животных жизнь — это богатый мультисенсорный опыт. В результате нервные системы стали использовать мультисенсорные представления объектов, сцен и событий для наиболее эффективного управления поведением1. Широко признано, что мультисенсорное обучение улучшает показатели памяти, от детей в классе до грызунов и насекомых в контролируемых лабораторных экспериментах2,3,4,5. Более того, очевидно универсальной и необъяснимой особенностью мультисенсорного обучения является то, что оно улучшает последующую производительность памяти даже для отдельных несенсорных компонентов3,5. Исследования на людях и других млекопитающих показали, что мультисенсорное обучение выигрывает от взаимодействия между корой головного мозга, специфичной для модальностей, которые были совместно активны во время обучения, и что отдельные чувства могут реактивировать обе области при тестировании3,6,7,8,9. Кроме того, клетки в разных областях мозга реагируют на многочисленные сенсорные сигналы, и пропорции или количество изменяются после мультисенсорного обучения1,10,11,12. Однако в настоящее время нам не хватает детального механистического понимания того, как мультисенсорное обучение превращает нейроны из селективных по модальности в мультимодальные и как такой процесс может поддерживать улучшение мультисенсорной и несенсорной памяти.

У дрозофилы уникальные популяции KC грибовидных тел (MB) получают преобладающие и анатомически сегрегированные дендритные входные сигналы от обонятельных или зрительных проекционных нейронов (а также от локальных зрительных интернейронов), а их аксоны проецируются в виде параллельных потоков в доли MB. Там последовательные компартменты аксонального ответвления каждого KC пересекаются пресинапсами дофаминергических нейронов (DAN), которые передают усиливающие эффекты аппетитных или аверсивных стимулов13,14. Усиление дофамина угнетает синапсы между активными KC и ограниченными компартментами дендритами нижестоящих выходных нейронов MB, чтобы кодировать валентно-специфичные воспоминания15,16,17.

Чтобы изучить мультисенсорное обучение у дрозофилы, мы адаптировали обонятельный Т-лабиринт18 так, чтобы цвета и запахи могли быть представлены вместе (рис. 1а). Мух, лишенных еды, обучали, предъявляя им цвет и/или запах (условный раздражитель минус (CS-)), а затем другой цвет и/или запах (условный раздражитель плюс (CS+)) в сочетании с сахарным вознаграждением (рис. 1а,б). При обучении и тестировании с использованием только цветов (визуальное обучение) мухи не проявили значительного приобретенного предпочтения к цветам, ранее связанным с сахаром (рис. 1b–d и расширенные данные, рис. 1a). Однако сочетание цветов с запахами (конгруэнтный протокол) обеспечило надежную и длительную память, которая была значительно улучшена по сравнению с памятью, сформированной при обучении только запахам (обонятельное обучение) (рис. 1b–d и расширенные данные, рис. 1a,b). Если комбинации цвета и запаха менялись между обучением и тестированием (несоответствующий протокол) (рис. 1b–d и расширенные данные, рис. 1a,b), улучшения памяти не наблюдалось. Более того, улучшение памяти не было очевидным, если во время обучения и тестирования один и тот же цвет сопровождался запахами CS- и CS+ (расширенные данные, рис. 1c). Таким образом, эффект мультисенсорного обучения, улучшающий память, требует усвоения взаимосвязи между конкретными сочетаниями цветов и запахов. Что касается памяти, измеренной через 6 часов после обучения, неконгруэнтный протокол выявил значительно сниженную производительность по сравнению с таковой после обонятельного обучения (рис. 1d), что позволяет предположить, что у мух возникает конфликт, когда непредвиденные обстоятельства цвета и запаха переключаются между обучением и тестированием.