双光遗传同步激活感觉与多巴胺能神经元实现完全合成记忆植入

为解决人工记忆形成机制问题，研究人员开展完全合成记忆植入研究，通过双光遗传同步激活嗅觉受体神经元(ORNs)与多巴胺能神经元(PPL1/PAM)，成功在果蝇中形成厌恶性和奖赏性嗅觉样记忆，证明简单共激活即可指导联想记忆形成，为全光学记忆操控提供新范式。

　　

在神经科学领域，一个根本性问题一直困扰着研究人员：是否只需简单共激活感觉神经元和神经调制神经元就足以形成联想记忆？传统观点认为，自然刺激的复杂时空模式和特定神经元集群活动对记忆编码至关重要。然而，这种复杂性是否不可或缺，还是说简单的神经元共激活就足以"植入"记忆？这个问题对于理解记忆形成的核心机制以及开发新的神经调控技术具有重要意义。

果蝇作为研究联想记忆的经典模型，其嗅觉联想学习机制已被广泛研究。当果蝇将气味（条件刺激, CS）与奖惩刺激（非条件刺激, US）配对时，会形成持久记忆。气味通过嗅觉受体神经元(ORNs)检测，经投射神经元传递到高级脑中心如蘑菇体(MB)，而奖惩信号分别通过不同的多巴胺能神经元群传递：厌恶信号由配对后外侧1(PPL1)神经元传递，奖赏信号由配对前内侧(PAM)神经元传递。

尽管先前研究已能用光遗传学单独替代CS或US信号，但完全用人工激活同时替代两种信号能否形成记忆仍不清楚。Tumkaya团队在《iScience》上发表的研究通过巧妙的光遗传学手段，首次在成年果蝇中实现了完全合成的记忆植入。

研究人员采用多项关键技术：利用多果蝇嗅觉训练仪(MOT)和风诱导自反应装置(WALISAR)进行自动化行为监测；使用双光遗传系统（红移Chrimson激活ORNs，蓝移Chr2XXL激活多巴胺能神经元）；通过TH-LexA和R58E02-LexA驱动器特异性靶向多巴胺能神经元；采用免疫组化验证 opsins表达；使用DABEST Python包进行统计分析和效应量计算。

Optogenetic fly lines successfully learn to avoid shock-paired odors

研究人员首先验证了表达Chrimson的转基因果蝇系能正常学习。通过将气味与足部电击配对，所有转基因系都学会了避免电击配对气味，学习得分(ΔPI)在-0.44到-0.72之间，证明这些品系具有正常学习能力。

Optogenetic activation of Orco neurons can substitute for odor stimulus in conditioning

接下来，研究团队用光遗传激活ORNs替代真实气味。将红光激活Orco神经元与足部电击配对后，表达Chrimson的果蝇对红光刺激表现出强烈厌恶(ΔPI = -0.92)，而对照组学习效果微弱，表明光遗传激活ORNs能有效替代气味刺激。

Temporal structure of optogenetic stimulus is untrainable

研究人员进一步探究ORNs spike的时间模式是否对记忆形成重要。他们设计了两种虚拟光气味：静态红光刺激("静态气味")和20Hz脉冲红光刺激("脉冲气味")。结果显示，除Or42b神经元对静态光条件反射外，果蝇普遍无法学会惩罚刺激的时间模式，表明精确时间编码对嗅觉感知和联想学习并非关键决定因素。

Optogenetic activation of dopaminergic neurons implants olfactory memories

研究然后验证了能否用光遗传激活替代强化刺激。将蓝光激活TH-LexA神经元（含PPL1神经元）与真实气味配对，实验组果蝇表现出强烈条件性厌恶(ΔPI = -0.44)。同样，激活R58E02 PAM神经元与气味配对则形成吸引性记忆(ΔPI = +0.64)，证明光遗传激活能有效替代奖惩信号。

Co-activation of Orco-Gal4 and TH-LexA neurons forms an aversive memory in MOT

最关键实验中，研究人员同时用红光激活Orco神经元和蓝光激活TH-LexA神经元，完全替代气味和电击。实验组果蝇表现出条件性厌恶(ΔPI = -0.33)，尽管效应量小于半合成条件反射，但证明完全人工激活能形成厌恶记忆。

Co-activation of Orco-Gal4 and R58E02 PAM cells drives appetitive memory formation

同样地，共激活Orco神经元和R58E02 PAM神经元也能形成吸引性记忆。在MOT assay中，组训练果蝇对红光激活产生偏好(ΔPI = +0.50)；在WALISAR单果蝇 assay中 also developed a preference(ΔPI = +0.38)，表明食欲记忆的稳健性。

研究表明，完全合成光遗传记忆植入可推广到成年果蝇的多巴胺能神经元，简单共激活ORNs足以形成厌恶性和吸引性记忆。这些发现确立了简单神经元共激活指导联想记忆形成的原则，挑战了传统认为复杂时空模式必要的观点。

该研究的重要意义在于提供了用全光学方法控制和剖析记忆环路的框架，为研究和治疗记忆障碍提供了新工具。完全光遗传方法能够精确控制CS和US信号的时间参数，未来可研究US-CS延迟或精细时间结构对记忆形成的影响，揭示神经系统存储记忆的演化方式，指导记忆障碍的新研究方向和转化工作。

研究也存在一定局限性：ORNs本身不是记忆形成的主要部位，信号经过至少两个串联突触传递到MB，简单激活所有Orco-Gal4 ORNs的信号可能在下游神经元中被转化，获得时间结构并引发额外的集群模式。未来通过光遗传激活Kenyon cells(KCs)而非ORNs替代气味刺激的实验可进一步解决这一问题。